Гидрогели и их жизненно важные возможности

Добро пожаловать в мир гидрогелей - наноразмерных материалов, которые могут повлиять на миллиарды во всем мире!

Так как мы были детьми, нас учили, что вещи существуют в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но природа на самом деле более запутанная, чем та, где существуют некоторые материалы между государствами. Например, подумайте, желатин, ингредиент, который делает десерты покачиваться. Это ни твердое тело, ни жидкость, ни газ; это гидрогель!

Гидрогели представляют собой нерастворимые в воде сшитые трехмерные сети полимерных цепей, соединенные с водой, которая заполняет пустоты между полимерными цепями. Сшивание между полимерными цепями приводит к механической прочности и физической целостности структуры. Гидрогели обладают высокой абсорбирующей способностью, содержащей не менее 90% воды. Это еще более высокий процент воды, который может удерживать человеческое тело!

Кроме того, гидрогель является легко программируемым материалом, что означает, что мы можем создавать химические реакции для объединения гидрогеля с другими молекулами для определенной цели.

С 1960-х годов ученые рассматривали гидрогель в качестве многообещающего кандидата для постоянных контактных применений, которые постоянно вживляются в организм без отторжения от иммунной системы организма.

Вот самая крутая часть: гидрогели - это умные материалы! Они изменяют некоторые свойства, например форму, в ответ на различные изменения в окружающей среде. Некоторыми распространенными стимулами для умных гидрогелей в биологических применениях являются pH, температура и ионная сила. Это позволяет гидрогелям быть идеальными кандидатами при поступлении в локализованную среду организма. Мы также можем изменить внешнюю среду снаружи, чтобы манипулировать активностью гидрогеля внутри организма.

Что делает гидрогели такими «умными»?

Есть много функциональных групп, которые присоединены к основной цепи полимера, одним ярким примером являются группы карбоновых кислот или RCOOH. Когда карбоновую кислотную группу добавляют в воду, водород кислотной группы может диссоциировать. В результате получается ион карбоксилата (RCOO-) с отрицательным зарядом и ион водорода (H +). Если среда благоприятствует диссоциации водорода, то полимерная цепь имеет много отрицательных зарядов вдоль своей основной цепи. Отрицательные заряды полимерных цепей отталкивают друг друга, заставляя гидрогель раскручиваться (открываться). Отрицательные заряды также увеличивают притяжение полимера к воде, привлекая положительный водородный диполь воды.

Кроме того, реакция RCOOH на RCOO- является обратимой, и химическая среда будет определять, происходит ли прямая реакция. Поскольку основная цепь полимера должна быть более отрицательной по отношению к химическим молекулам в ее среде, среда с высоким содержанием H + / кислой средой (с низким pH) будет благоприятствовать ROOH - или нейтральной - основной цепи. С другой стороны, больше щелочи (более высокий pH) способствует отрицательному заряду. Бум, это пример того, как небольшое изменение уровня pH может заметно повлиять на степень набухания гидрогелей!

Доставки лекарств

Одним из наиболее интересных клинических применений, которые тестируются, является доставка лекарств. Люди с диабетом 1 типа должны постоянно вводить себе инсулин, чтобы контролировать уровень сахара в крови.

Гидрогели могут помочь пациентам избавиться от этой потребности. Фактически, исследователи используют поли (β-аминоэфир) (PAE) для синтеза гидрогелей, которые можно вводить под кожу, что создает отложение инсулина в организме. Инсулин естественным образом диффундирует из окружающей среды с более высокой концентрацией инсулина до более низкой концентрации инсулина, что приводит к медленному выделению гормона из внутренней части гидрогеля в кровоток.

Таким образом, несколько инъекций инсулина можно заменить одной инъекцией гидрогеля!

Свежая кровь для поврежденных тканей

Гидрогели могут не только заменить инъекции инсулина, но и являются многообещающей альтернативой разжижающим кровь лекарствам, а также ангиопластике и шунтированию - современным методам лечения ишемии.

Демонстрация церебральной ишемии - типа инсульта, возникающего при прерывании кровотока в головном мозге.

Ишемия - это серьезное заболевание, при котором поток крови и доставка кислорода к тканям ограничены, что приводит к боли, слабости и, что еще серьезнее, повреждению тканей и органов. Когда происходит в мышечной ткани, особенно в форме атеросклероза, ишемия может привести к смертельным заболеваниям, таким как заболевание коронарной артерии и инсульт, которые в настоящее время являются основной причиной смерти, согласно данным Всемирной организации здравоохранения.

Ученые нашли очень интересный подход к лечению ишемии: выращивание новых кровеносных сосудов для увеличения кровотока в ишемическом месте за счет доставки ангиогенных факторов роста, таких как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF) !

После введения VEGF и IGF альгинатные гидрогели можно доставлять в организм с помощью микроигл.

Пептид-модифицированный хитозаном гидрогель, приводящий к образованию новых кровеносных сосудов. (Chen et. Al. (2015). Ламининовый пептид-миметик SIKVAV - хитозановый гидрогель, способствующий заживлению ран путем усиления ангиогенеза, реэпителизации и отложения коллагена. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Как правило, сгруппированные в большое количество микроиглы предназначены для нанесения на кожу, как пластырь. При надавливании на поверхность кожи иглы могут пересекать самый наружный слой кожи («роговой слой»), который затем создает микроскопические поры, позволяя факторам роста проникать в организм и стимулировать рост новых кровеносных сосудов, не вызывая любой ущерб существующим.

Демонстрация микроигл, высвобождающих химические вещества

Убийство Супербагов

Исследователи из Института биоинженерии и нанотехнологий (IBN) и IBM Research в 2013 году разработали первый в мире антимикробный гидрогель, который может разрушать биопленки и уничтожать супербаги с множественной лекарственной устойчивостью при контакте с использованием гидрогелей. И это действительно удивительно!

Нормальные клетки бактерий Acinetobacter baumannii до (слева) и после (справа) обработки полимерами [Фото: Институт биоинженерии и нанотехнологий]

В основе сегодняшнего подхода к лечению бактерий лежит фундаментальная проблема: антибиотики - это кувалда, которая истощает и уничтожает кишечное микробное сообщество.

Что действительно важно понять, так это то, что если мы продолжим использовать антибиотики до 2050 года, 10 миллионов человек умрут в год от бактериальных инфекций. Это даже больше смертей, чем все виды рака вместе взятых.

Гидрогели могут быть загружены металлическими наночастицами как новый способ борьбы с микробами. Например, Ag +, высвобождаемый из наночастиц Ag, взаимодействует с цистеином в определенных областях белков на бактериальных мембранах, вызывая потерю K + изнутри и разрушая клеточные транспортные системы, что в конечном итоге приводит к гибели бактериальных клеток.

Схема четырехступенчатого механизма уничтожения полимера против устойчивых к лекарствам супербуков (Шаг 1) Связывание положительно заряженного полимера с поверхностью бактериальной клетки, (Шаг 2) Нейтрализация положительных зарядов полимера для проникновения в мембрану бактериальной клетки (Шаг 3) Проникая в бактериальную цитоплазму, жидкость, которая наполняет клетку, и (Шаг 4) Осаждение цитоплазматических веществ, чтобы убить бактерию. (Фото: Институт биоинженерии и нанотехнологий)

Другие исследования также показали, что Ag + взаимодействует с белками клеточной стенки и плазматической мембраны бактерий. Комбинация Ag + с отрицательно заряженной мембраной проникает через мембрану, позволяя цитоплазматическому содержимому вытекать из клетки, рассеивая градиент H + через мембрану и иногда вызывая гибель клетки.

Благодаря своей универсальной и программируемой природе, гидрогели являются одним из самых простых, но самых интригующих и мощных материалов в нашем мире сегодня!

Перед тем, как ты уйдешь,

Хлопайте эту статью, если вы узнали что-то новое.
Поделись с коллегами, семьей и друзьями!
Следите за моей средней страницей, чтобы оставаться в курсе моего предприятия в области нанотехнологий, генной инженерии, старения и машинного обучения!