Hidrogeli in njihove življenjske sposobnosti

Dobrodošli v svetu hidrogelov - nano velikosti materialov, ki lahko vplivajo na milijarde po vsem svetu!

Že od malih nog smo se učili, da zadeve obstajajo v treh stanjih: trdna, tekoča in plinska. Toda narava je v resnici bolj zapletena od tiste, kjer med državami obstaja nekaj gradiva. Na primer, pomislite, želatina, sestavina, zaradi katere se sladice vrtijo. Niti trden niti tekoč niti plin; to je hidrogel!

Hidrogeli so v vodi netopne, zamrežene, tridimenzionalne mreže polimernih verig, povezane z vodo, ki zapolnjuje praznine med polimernimi verigami. Povezava med polimernimi verigami povzroči mehansko trdnost in fizično celovitost konstrukcije. Hidrogeli so zelo vpojni, vsebujejo vsaj 90% vode. To je celo večji odstotek vode, ki ga človeško telo lahko zadrži!

Poleg tega je hidrogel material, ki ga je mogoče enostavno programirati, kar pomeni, da lahko oblikujemo kemijske reakcije za kombiniranje hidrogela z drugimi molekulami za določen namen.

Od šestdesetih let prejšnjega stoletja so znanstveniki zamislili hidrogel kot obetavnega kandidata za aplikacije za trajni stik, tiste, ki se v telo vsadijo trajno, ne da bi jih telesni imunski sistem zavrnil.

Tu je najbolj kul del: Hydrogels so pametni materiali! Spreminjajo nekatere lastnosti, kot je oblika, kot odgovor na različne spremembe v okolju. Nekateri pogosti dražljaji za pametne hidrogele v bioloških aplikacijah so pH, temperatura in ionska moč. To omogoča, da so hidrogeli popolni kandidati pri vstopu v lokalna okolja. Zunanje okolje lahko spreminjamo tudi od zunaj, da manipuliramo z aktivnostjo hidrogela znotraj telesa.

Kaj naredi hidrogele tako "pametne"?

Obstaja veliko funkcionalnih skupin, ki so pritrjene na polimerno hrbtenico, en viden primer so skupine karboksilne kisline ali RCOOH. Ko skupini z karboksilno kislino dodamo vodo, lahko vodik kisle skupine disociira. Rezultat je karboksilatni ion (RCOO-) z negativnim nabojem in vodikov ion (H +). Če okolje podpira disociacijo vodika, potem ima polimerna veriga na svoji hrbtenici veliko negativnih nabojev. Negativni naboji polimernih verig se odbijajo med seboj, kar povzroči, da se hidrogel razkroji (odpre). Negativni naboji povečajo tudi privlačnost polimera v vodi s privlačenjem pozitivnega vodikovega dipola.

Prav tako je reakcija RCOOH na RCOO- povratna, kemično okolje pa bo določilo, ali se zgodi reakcija naprej. Ker mora biti polimerna hrbtenica bolj negativna glede na kemijske molekule v njenem okolju, bo H + bogato / kislo (nizko pH) okolje ugodnejše za hrbtenico ROOH - ali nevtralno. Po drugi strani več alkalij (višji pH) daje prednost negativnemu naboju. Boom, to je primer, kako lahko majhna sprememba pH vrednosti močno vpliva na stopnjo otekline hidrogelov!

Dostava drog

Ena izmed najbolj vznemirljivih kliničnih aplikacij, ki se preskuša, je pri dajanju zdravil. Ljudje s sladkorno boleznijo tipa 1 si morajo nenehno injicirati inzulin, da bi nadzirali raven sladkorja v krvi.

Hidrogeli bi lahko pomagali bolnikom, da se izognejo tej potrebi. V bistvu raziskovalci uporabljajo poli (β-amino ester) (PAE), da sintetizirajo hidrogele, ki jih lahko vbrizgamo pod kožo, kar ustvarja depozit inzulina v telesu. Insulin se naravno razprši od okolja z višjo koncentracijo insulina do nižje koncentracije insulina, kar vodi do počasnega sproščanja hormona iz notranjosti hidrogela v krvni obtok.

Na ta način lahko več injekcij inzulina nadomestimo z eno samo injekcijo hidrogela!

Sveža kri za poškodovana tkiva

Hidrogeli ne morejo nadomestiti samo insulinskih posnetkov, ampak so obetavna alternativa zdravil za redčenje krvi in ​​angioplastiko ter obvodne operacije - sedanje metode zdravljenja ishemije.

Dokaz možganske ishemije - vrsta možganske kapi, ki se pojavi, ko je prekinjen dotok krvi v možgane

Ishemija je resno zdravstveno stanje, pri katerem je pretok krvi in ​​dovajanje kisika v tkiva omejen, kar ima za posledico bolečino, šibkost in resneje poškodbe tkiva in organov. Če se pojavi v mišičnem tkivu, zlasti v obliki ateroskleroze, lahko ishemija povzroči smrtne bolezni, kot sta koronarna bolezen in možganska kap - ki so po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije vodilni vzrok smrti.

Znanstveniki so ugotovili zelo zanimiv pristop k zdravljenju ishemije: Gojenje novih krvnih žil za povečanje krvnega pretoka na ishemičnem mestu z dostavo angiogenih rastnih faktorjev, kot sta vaskularni endotelni faktor rasti (VEGF) in inzulinu podoben rastni faktor-1 (IGF) !

Po infuziji z VEGF in IGF lahko alginatne hidrogele dostavimo v telo s pomočjo mikronevodov.

Hitozan, modificiran s peptidom, vodi do nastanka novih krvnih žil. (Chen in sod. (2015). Laminin mimetični peptid SIKVAV-hitozan hidrogen, ki pospešuje celjenje ran z izboljšanjem angiogeneze, ponovne epitelizacije in odlaganja kolagena. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Mikronele so običajno združene v večjem številu in so zasnovane tako, da se nanesejo na kožo kot obliž. Ko pritisnemo na površino kože, lahko igle preidejo najbolj skrajni sloj kože ("stratum corneum"), ki nato ustvari mikroskopske pore, tako da rastni dejavniki vstopijo v telo in spodbudijo rast novih krvnih žil, ne da bi povzročili kakršno koli škodo obstoječih.

Predstavitev mikronebel, ki sproščajo kemikalije

Ubijanje Superbugov

Raziskovalci z Inštituta za bioinženirstvo in nanotehnologijo (IBN) in IBM Research so razvili prvi v času protimikrobni hidrogel, ki lahko razpade biofilme in uniči večdrobno odporne superbake ob stiku s hidrogeli v letu 2013. In to je resnično neverjetno!

Normalne celice bakterije Acinetobacter baumannii pred (levo) in po (desno) obdelavo polimerov [Kredit: Inštitut za bioinženirstvo in nanotehnologijo]

Temeljna težava pri zdravljenju z bakterijami je osnovna težava: antibiotiki so, da so klavnica, ki izčrpava in uničuje črevesno mikrobno skupnost.

Pomembno je razumeti, da če bomo do leta 2050 še naprej uporabljali antibiotike, bo na leto zaradi bakterijskih okužb umrlo 10 milijonov ljudi. To je celo več smrti kot vse vrste raka skupaj.

Hidrogele lahko napolnimo s kovinskimi nanodelci kot nov način boja proti mikrobom. Na primer, Ag +, ki se sprošča iz nanodelcev Ag, v določenih regijah beljakovin na bakterijskih membranah medsebojno vpliva na cistein, kar povzroča izgubo K + od znotraj in poruši celični transportni sistem, kar končno vodi v bakterijsko smrt celic.

Shema štiristopenjskega mehanizma ubijanja polimera proti superbabam, odpornim na zdravila (1. korak) Vezanje pozitivno nabitih polimerov na površino celic bakterij, (2. korak) Nevtralizacija pozitivnih nabojev polimera za vstop v bakterijsko celično membrano , (Korak 3) Prodiranje v bakterijsko citoplazmo, tekočino, ki napolni celico, in (4. korak) oboritev citoplazemskih snovi za uničenje bakterije. (Zasluge: Inštitut za bioinžinjering in nanotehnologijo)

Tudi druge raziskave so pokazale, da Ag + sodeluje z beljakovinami celične stene in plazemske membrane bakterij. Kombinacija Ag + z negativno nabito membrano perforira membrano in tako omogoča, da citoplazemska vsebina odteče iz celice, razprši gradient H + po membrani in včasih povzroči celično smrt.

Hidrogeli so s svojo vsestransko in programirljivo naravo eden najpreprostejših, a najbolj intrigantnih in močnih materialov v našem svetu danes!

Preden greš,

Zapnite ta članek, če ste se naučili nekaj novega.
Delite s sodelavci, družino in prijatelji!
Sledite moji srednji strani, da ostanete posodobljeni z mojim podvigom nanotehnologije, genskega inženiringa, staranja in strojnega učenja!