Умный полимер - Smart polymer

Умные полимеры, полимеры, реагирующие на раздражители или же функциональные полимеры высокопроизводительные полимеры которые меняются в зависимости от среды, в которой они находятся. Такие материалы могут быть чувствительны к ряду факторов, например температура, влажность, pH, химические соединения, длина волны или же интенсивность света или электрические или же магнитное поле и может реагировать по-разному, например, изменяя цвет или прозрачность, становясь проводящим или проницаемым для воды или изменяя форму (полимеры с памятью формы ). Обычно небольших изменений окружающей среды достаточно, чтобы вызвать большие изменения свойств полимера.[1][2][3]

Приложения

Умные полимеры используются как в узкоспециализированных приложениях, так и в повседневных товарах. Они используются для датчики и приводы Такие как искусственные мышцы , производство гидрогели, биоразлагаемый упаковка, и в значительной степени в биомедицинская инженерия . Одним из примеров является полимер, который подвергается конформационное изменение в ответ на изменение pH, что может быть использовано в доставки лекарств.[4] Другой - чувствительный к влажности полимер, используемый в самонастраивающиеся повязки на рану которые автоматически регулируют баланс влаги в ране и вокруг нее.[5][6]

Нелинейный отклик умных полимеров делает их такими уникальными и эффективными. Существенное изменение структуры и свойств может быть вызвано очень слабым раздражителем. Как только это изменение происходит, дальнейших изменений не происходит, что означает предсказуемую реакцию «все или ничего» с полной однородностью по всему полимеру. Умные полимеры могут измениться конформация, липкость или же воды удерживающие свойства из-за небольших изменений pH, ионная сила, температура или другие триггеры.

Еще один фактор эффективности «умных» полимеров заключается в природной природе полимеров в целом. Сила реакции каждой молекулы на изменение стимулов складывается из изменений отдельных мономер единицы, которые сами по себе были бы слабыми. Однако эти слабые реакции, усугубленные в сотни или тысячи раз, создают значительную силу для запуска биологических процессов.

Фармацевтическая промышленность напрямую связана с развитием полимеров. В этой области полимеры играют значительную роль, и их достижения помогают целым группам населения во всем мире. Человеческое тело - это машина со сложной системой, работающая в ответ на химические сигналы. Полимеры играют роль технологии доставки лекарств, которая может контролировать высвобождение терапевтических агентов в периодических дозах.[7] Полимеры способны к молекулярному распознаванию и направлять внутриклеточную доставку.[7] Умные полимеры выходят на поле, чтобы играть и использовать преимущества молекулярного распознавания и, наконец, создали системы осведомленности и полимерные носители для облегчения доставки лекарств в систему организма.

Стимулы

Некоторые полимерные системы реагируют на температуру, подвергаясь более низкая критическая температура раствора фаза перехода. Одним из наиболее изученных таких полимеров является поли (N-изопропилакриамид), с температурой перехода около 33 ° C. Несколько гомологичный N-алкил акриламиды также показывают поведение НКТР с температурой перехода, зависящей от длины гидрофобный боковая цепь. Выше температуры перехода эти полимеры становятся нерастворимыми в воде. Такое поведение считается энтропия ведомый.

Классификация и химия

В настоящее время наиболее распространенное использование интеллектуальных полимеров в биомедицина предназначен для целевой доставки лекарств. С появлением тайм-релиза фармацевтические препараты, ученые столкнулись с проблемой поиска способов доставки лекарств в определенное место в организме без их предварительного разложения в очень высокой кислый среда желудка. Предотвращение неблагоприятных последствий для здоровых костей и тканей также является важным фактором. Исследователи разработали способы использования интеллектуальных полимеров для контроля высвобождения лекарств до тех пор, пока система доставки не достигнет желаемой цели. Это высвобождение контролируется химическим или физиологическим триггером.

Линейные и матричные интеллектуальные полимеры существуют с различными свойствами в зависимости от реакционной способности. функциональные группы и боковые цепи. Эти группы могут реагировать на pH, температуру, ионная сила, электрический или же магнитные поля, и свет. Некоторые полимеры обратимо сшиты нековалентные связи которые могут сломаться и восстановиться в зависимости от внешних условий. Нанотехнологии сыграл основную роль в развитии некоторых полимеры в виде наночастиц Такие как дендримеры и фуллерены, которые были применены для доставки лекарств. Традиционный препарат инкапсуляция было сделано с использованием молочная кислота полимеры. Более поздние разработки свидетельствуют о формировании решетчатых матриц, которые удерживают интересующее лекарство интегрированным или заключенным между нитями полимера.

Интеллектуальные полимерные матрицы высвобождают лекарственные средства в результате химической или физиологической реакции изменения структуры, часто реакции гидролиза, приводящей к разрыву связей и высвобождению лекарственного средства, когда матрица распадается на биоразлагаемый составные части. Использование натуральные полимеры уступил место искусственно синтезированные полимеры Такие как полиангидриды, полиэфиры, полиакриловые кислоты, поли (метилметакрилаты) ), и полиуретаны. Гидрофильный, аморфный, низкомолекулярные полимеры, содержащие гетероатомы (т.е. атомы, отличные от углерода), как было обнаружено, разлагаются быстрее всего. Ученые контролируют скорость доставки лекарств, варьируя эти свойства, регулируя скорость разложения.

Прививка и блок сополимер это два разных полимера, слитых вместе. Уже существует ряд патентов на различные комбинации полимеров с разными реакционноспособными группами. Продукт демонстрирует свойства обоих отдельных компонентов, что придает новое измерение интеллектуальной полимерной структуре и может быть полезным для определенных приложений. Сшивание гидрофобных и гидрофильных полимеров приводит к образованию мицеллоподобных структур, которые могут защищать доставку лекарств через водный среды до тех пор, пока условия в целевом месте не вызовут одновременное разрушение обоих полимеров.

Подход на основе трансплантата и блока может быть полезен для решения проблем, возникающих при использовании общего биоадгезив полимер полиакриловая кислота (PAAc). PAAc прилипает к поверхности слизистых оболочек, но быстро набухает и разлагается при pH 7.4, что приводит к быстрому высвобождению лекарств, заключенных в его матрице. Комбинация PAAc с другим полимером, который менее чувствителен к изменениям при нейтральном pH, может увеличить время пребывания и замедлить высвобождение лекарства, тем самым улучшая биодоступность и эффективность.

Гидрогели представляют собой полимерные сетки, которые не растворяются в воде, но набухают или разрушаются в изменяющейся водной среде. Они полезны в биотехнология для разделения фаз, потому что они многоразовый или же перерабатываемый. Изучаются новые способы управления потоком или улавливанием и высвобождением целевых соединений в гидрогелях. Были разработаны узкоспециализированные гидрогели для доставки и высвобождения лекарств в определенные ткани. Гидрогели, изготовленные из PAAc, особенно распространены из-за их биоадгезионных свойств и огромной впитывающая способность.

Иммобилизация ферментов в гидрогелях - это довольно хорошо отлаженный процесс. Обратимо сшитые полимерные сети и гидрогели могут быть аналогичным образом применены к биологической системе, в которой реакция и высвобождение лекарства запускаются самой целевой молекулой. Кроме того, ответ может быть включен или отключен продуктом фермент реакция. Часто это делается путем включения фермента, рецептор или же антитело, который связывается с интересующей молекулой в гидрогель. После связывания химическая реакция происходит, что вызывает реакцию со стороны гидрогеля. Триггером может быть кислород, обнаруженный с помощью оксидоредуктаза ферменты или реакция определения pH. Примером последнего является комбинированный захват глюкозооксидаза и инсулин в чувствительном к pH гидрогеле. В присутствии глюкозы образование глюконовая кислота ферментом запускает высвобождение инсулина из гидрогеля.

Двумя критериями эффективной работы этой технологии являются стабильность ферментов и быстрая кинетика (быстрая реакция на триггер и восстановление после удаления триггера). Несколько стратегий были протестированы в диабет 1 типа исследования, включающие использование аналогичных типов интеллектуальных полимеров, которые могут обнаруживать изменения в уровень глюкозы в крови и запускают производство или высвобождение инсулина. Точно так же существует много возможных применений подобных гидрогелей, как доставки лекарств агенты для других состояний и заболеваний.

Другие приложения

Умные полимеры предназначены не только для доставки лекарств. Благодаря своим свойствам они особенно подходят для биосепарации. Время и затраты на очистку белки можно значительно снизить за счет использования интеллектуальных полимеров, которые претерпевают быстрые обратимые изменения в ответ на изменение свойств среды. Конъюгированные системы использовались в течение многих лет в физическом и аффинном разделении и иммуноанализ. Микроскопические изменения в структуре полимера проявляются в виде осадок образование, которое может быть использовано для отделения захваченных белков от раствора.

Эти системы работают, когда белок или другая молекула, которую нужно отделить от смеси, образует биоконъюгат с полимером и осаждается вместе с полимером, когда его окружающая среда претерпевает изменения. Осадок удаляют из среды, тем самым отделяя желаемый компонент конъюгата от остальной смеси. Удаление этого компонента из конъюгата зависит от извлечения полимера и возврата в его исходное состояние, поэтому гидрогели очень полезны для таких процессов.

Другой подход к контролю биологических реакций с использованием умных полимеров - приготовление рекомбинантные белки со встроенными участками связывания полимера, близкими к лиганд или сайты связывания клеток. Этот метод использовался для контроля активности связывания лиганда и клетки на основе множества триггеров, включая температуру и свет.

Умные полимеры играют важную роль в технологии самоадаптирующихся повязок на рану. Дизайн повязки представляет собой запатентованные супервпитывающие синтетические интеллектуальные полимеры, иммобилизованные в трехмерной волокнистой матрице, с дополнительной функцией гидратации, достигаемой за счет внедрения гидрогеля в сердцевину материала.

Принцип действия повязки основан на способности полимеров воспринимать и адаптироваться к изменяющейся влажности и содержанию жидкости во всех областях раны одновременно, а также автоматически и обратимо переключаться с абсорбции на гидратацию. Интеллектуальное действие полимера обеспечивает активную синхронизированную реакцию перевязочного материала на изменения в ране и вокруг нее, чтобы всегда поддерживать оптимальную влажную среду заживления.[5][6]

Будущие приложения

Было высказано предположение, что могут быть разработаны полимеры, которые могут со временем обучаться и самокорректировать поведение. Хотя это может быть очень далекой возможностью, в ближайшем будущем появятся и другие, более осуществимые приложения. Одна из них - идея умных туалетов, которые анализируют мочу и помогают выявлять проблемы со здоровьем. В экологическая биотехнология, умная орошение системы также были предложены. Было бы невероятно полезно иметь систему, которая включается и выключается, а также управляет удобрение концентрации, в зависимости от почвы влага, pH и уровни питательных веществ. Многие творческие подходы к системам адресной доставки лекарств, которые саморегулируются в зависимости от их уникальности. сотовый окрестности, также находятся под следствием.

Существуют очевидные возможные проблемы, связанные с использованием умных полимеров в биомедицина. Больше всего беспокоит возможность токсичность или несовместимость искусственных веществ в организме, включая продукты распада и побочные продукты. Однако умные полимеры обладают огромным потенциалом в биотехнологии и биомедицине, если эти препятствия можно будет преодолеть.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ М.Шахинпур и Х.-Дж. Schneider, Eds. Интеллектуальные материалы; Королевское химическое общество, Кембридж, Великобритания, 2007.http://pubs.rsc.org/en/Content/eBook/978-0-85404-335-4
  2. ^ М. Шварц, Под ред. Умные материалы, CRC Press Boca Raton 2008,https://www.crcpress.com/Smart-Materials/Schwartz/p/book/9781420043723
  3. ^ Интеллектуальные материалы, редакторы: Мохсен, Шахинпур, Ханс-Йорг Шнайдер, Королевское химическое общество Кембриджа, 2007 г. https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-0-85404-335-4
  4. ^ Галаев, Игорь; Маттиассон, Бо, ред. (2010). Умные полимеры: применение в биотехнологии и биомедицине. CRC Press. ISBN  978-1439858165. Получено 2013-03-20.
  5. ^ а б Wolcott, R .; Фишенич В. (2014). «Абсолютная стандартизация повязок первого ряда на один тип». Сегодняшняя клиника ран. 8 (3).
  6. ^ а б Патент США US9050211 B2, Олег Синягин и Елена Качигуина, «Самоадаптирующаяся и, возможно, адаптируемая иным образом повязка на рану», опубликовано 9 июня 2015 г. 
  7. ^ а б Лихти, В. Б., Крысцио, Д. Р., Слотер, Б. В., и Пеппас, Н. А. (2012). Полимеры для систем доставки лекарств. Авторские рукописи HHS. Список журналов. ЧВК.