Hidrogeli i njihove životne sposobnosti

Dobrodošli u svijet hidrogela - nano-veličine materijala koji mogu utjecati na milijarde širom svijeta!

Budući da smo bili djeca, naučili smo nas da postoje stvari u tri stanja: kruta, tekuća i plinska. Ali priroda je zapravo zamršenija od one tamo gdje neki materijali postoje između država. Na primjer, mislite na želatinu, sastojak koji čini da se deserti miješaju. Nije ni krut, ni tekuć, ni plin; to je hidrogel!

Hidrogeli su netopljivi u vodi, umrežene, trodimenzionalne mreže polimernih lanaca, spojene s vodom koja ispunjava praznine između polimernih lanaca. Umrežavanje polimernih lanaca dovodi do mehaničke čvrstoće i fizičke cjelovitosti konstrukcije. Hidrogeli su visoko upijajući, sadrže najmanje 90% vode. To je čak i veći postotak vode koju ljudsko tijelo može zadržati!

Nadalje, hidrogel je materijal koji je lako programirati, što znači da možemo dizajnirati kemijske reakcije za kombiniranje hidrogela s drugim molekulama za određenu svrhu.

Od 1960-ih, znanstvenici su zamišljali hidrogel kao obećavajućeg kandidata za aplikacije za stalni kontakt, one koje se u organizam ugrađuju trajno bez odbacivanja od tjelesnog imunološkog sustava.

Evo najslađeg dijela: Hidrogeli su pametni materijali! Oni mijenjaju neka svojstva, poput oblika, kao odgovor na različite promjene u okolini. Neki uobičajeni podražaji pametnih hidrogela u biološkoj primjeni su pH, temperatura i ionska čvrstoća. To omogućava da hidrogeli budu savršeni kandidati za ulazak u tjelesno lokalizirana okruženja. Također možemo promijeniti vanjsko okruženje izvana kako bismo manipulirali aktivnošću hidrogela unutar tijela.

Zbog čega su hidrogeli tako „pametni“?

Mnogo je funkcionalnih skupina vezano za polimernu kralježnicu, jedan istaknuti primjer su karboksilne kiseline ili RCOOH. Kada se grupi karboksilne kiseline doda u vodu, vodik kiselinske skupine može disocirati. Rezultat je karboksilatni ion (RCOO-) s negativnim nabojem i vodikov ion (H +). Ako okoliš pogoduje disocijaciji vodika, tada polimerni lanac ima puno negativnih naboja duž svoje kralježnice. Negativni naboji polimernih lanaca se međusobno odbijaju, uzrokujući odvajanje hidrogela (otvaranje). Negativni naboji također povećavaju privlačnost polimera u vodi privlačenjem pozitivnog vodikovog dipola.

Također, reakcija RCOOH na RCOO- je reverzibilna, a kemijsko okruženje će odrediti da li se događa reakcija naprijed. Budući da polimerna kralježnica mora biti negativnija u odnosu na kemijske molekule u svom okruženju, H + bogato / kiselo (nisko pH) okruženje pogoduje ROOH - ili neutralnoj okosnici. S druge strane, više lužine (veći pH) pogoduje negativnom naboju. Boom, ovo je primjer kako mala promjena pH vrijednosti može značajno utjecati na stupanj bubrenja hidrogela!

Dostava lijekova

Jedna od najuzbudljivijih kliničkih primjena koja se testira je isporuka lijekova. Osobe s dijabetesom tipa 1 moraju se neprestano ubrizgavati s inzulinom kako bi kontrolirale razinu šećera u krvi.

Hidrogeli bi mogli pomoći pacijentima da se oslobode te potrebe. Zapravo, istraživači koriste poli (β-amino ester) (PAE) za sintezu hidrogela koji se mogu ubrizgati pod kožu, što stvara talog inzulina u tijelu. Inzulin se prirodno difuzuje iz okoliša s većom koncentracijom inzulina do nižom koncentracijom inzulina, što dovodi do sporog oslobađanja hormona iz unutrašnjosti hidrogela u krvotok.

Na taj način, više injekcija inzulina može se zamijeniti jednom injekcijom hidrogela!

Svježa krv za oštećena tkiva

Hidrogeli ne samo da mogu nadomjestiti snimke inzulina, to je obećavajuća alternativa lijekovima za razrjeđivanje krvi, angioplastikama i zaobilaznim operacijama - trenutnim metodama liječenja ishemije.

Demonstracija cerebralne ishemije - vrsta moždanog udara koja nastaje kada je prekinuti dotok krvi u mozak

Ishemija je ozbiljno zdravstveno stanje u kojem je ograničen protok krvi i dostava kisika tkivima, što rezultira bolom, slabošću i ozbiljnije oštećenjem tkiva i organa. Kada se pojavi u mišićnom tkivu, posebno u obliku ateroskleroze, ishemija može rezultirati smrtnim bolestima kao što su koronarna bolest i moždani udar - koji su trenutno vodeći uzrok smrti prema Svjetskoj zdravstvenoj organizaciji.

Znanstvenici su otkrili vrlo zanimljiv pristup liječenju ishemije: Uzgoj novih krvnih žila kako bi se povećao protok krvi na ishemijskom mjestu isporukom angiogenih faktora rasta poput vaskularnog endotelnog faktora rasta (VEGF) i inzulinskog faktora rasta-1 (IGF) !

Nakon infuzije s VEGF-om i IGF-om, alginatni hidrogeli se mogu dostaviti u tijelo pomoću mikro-glava.

Hitozan modificiran peptidom, što dovodi do stvaranja novih krvnih žila. (Chen i dr. (2015). Laminin mimetički peptid SIKVAV-hitozan hidrogen koji potiče zarastanje rana pojačavanjem angiogeneze, ponovnom epitelizalizacijom i taloženjem kolagena. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Mikroneči su obično grupirani u većem broju i osmišljeni su da se nanose na kožu poput flastera. Kada se pritisnu na površinu kože, igle mogu preći najudaljeniji sloj kože („stratum corneum“), koji zatim stvara mikroskopske pore, omogućujući faktorima rasta da uđu u tijelo i stimuliraju rast novih krvnih žila, a da ne uzrokuju bilo kakvo oštećenje postojećih.

Demonstracija mikronela koje ispuštaju kemikalije

Ubijanje Superbugova

Istraživači s Instituta za bioinžinjering i nanotehnologiju (IBN) i IBM Research razvili su prvi u antimikrobni hidrogel koji može razbiti biofilmove i uništiti višestruke rezistentne superbake nakon kontakta pomoću hidrogela u 2013. godini.

Normalne stanice bakterije Acinetobacter baumannii prije (lijevo) i nakon (desno) liječenja polimerima [Kredit: Institut za bioinžinjering i nanotehnologiju]

Osnovni je problem s načinom na koji danas liječimo bakterijama: antibioticima je to da su malj koji iscrpljuje i uništava mikrobe zajednice crijeva.

Ono što je doista važno za razumjeti je da ako nastavimo koristiti antibiotike do 2050. godine, 10 milijuna ljudi umrijet će godišnje zbog bakterijskih infekcija. To je čak više smrtnih slučajeva nego sve vrste raka zajedno.

Hidrogeli se mogu učitati metalnim nanočesticama kao novi način u borbi protiv mikroba. Na primjer, Ag + oslobođen iz Ag nanočestica u interakciji je s cisteinom u određenim regijama proteina na bakterijskim membranama, uzrokujući gubitak K + iznutra i poremećaj staničnih transportnih sustava, što na kraju dovodi do smrti bakterijske stanice.

Dijagram mehanizma ubijanja polimera u četiri koraka protiv superbubaka otpornih na lijekove (Korak 1) Vezanje pozitivno nabijenog polimera na površinu stanica bakterija, (Korak 2) Neutralizacija pozitivnih naboja polimera za ulazak u stanicu membrane bakterija , (Korak 3) Prodiranje u bakterijsku citoplazmu, tekućinu koja ispunjava stanicu, i (Korak 4) Taloženje citoplazmatskih tvari za ubijanje bakterija. (Zasluga: Institut za bioinžinjering i nanotehnologiju)

Druga istraživanja su također pokazala da Ag + djeluje u interakciji s proteinima stanične stijenke i plazma membrane bakterija. Kombinacija Ag + s negativno nabijenom membranom perforira membranu, omogućujući tako da citoplazmatski sadržaj istječe iz stanice, raspršivši gradijent H + kroz membranu i ponekad uzrokujući staničnu smrt.

Sa svojom svestranom i programibilnom prirodom, hidrogeli su jedan od najjednostavnijih, ali najintrigantnijih i najmoćnijih materijala u našem svijetu danas!

Prije nego što odeš,

Isključite ovaj članak ako ste naučili nešto novo.
Podijelite s kolegama, obitelji i prijateljima!
Pratite moju srednju stranicu da biste bili u toku s mojim pothvatom u oblasti nanotehnologije, genetskog inženjerstva, starenja i strojnog učenja!