Biomedizinische Anwendungen für Smart Polymers

Imitieren der Stimulusreaktivität natürlicher Polymere

Wissenschaftler, die die natürlichen Polymere in lebenden Organismen ( Proteine, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren ) studieren, haben gelernt, wie sie sich in biologischen Prozessen verhalten. Systeme, wie sie ihre strukturellen und physiologischen Rollen erfüllen. Diese Information wird verwendet, um ähnliche künstliche polymere Substanzen mit spezifischen Eigenschaften und der Fähigkeit zu entwickeln, auf Veränderungen in ihrer Umgebung zu reagieren.

Diese synthetischen Polymere sind potentiell sehr nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich einiger, die sich auf die Biotechnologie und Biomedizin beziehen.

Intelligente Polymere gewinnen immer mehr an Bedeutung, wenn Wissenschaftler etwas über die Chemie und die Auslöser erfahren, die Konformationsänderungen in Polymerstrukturen induzieren und Möglichkeiten entwickeln, diese zu nutzen und zu kontrollieren. Neue polymere Materialien werden chemisch formuliert, die spezifische Umweltveränderungen in biologischen Systemen erfassen und in vorhersagbarer Weise einstellen , was sie zu nützlichen Werkzeugen für die Arzneimittelabgabe oder andere Stoffwechselkontrollmechanismen macht.

Die nichtlineare Antwort von intelligenten Polymeren macht sie so einzigartig und effektiv. Eine signifikante Änderung in Struktur und Eigenschaften kann durch einen sehr kleinen Stimulus hervorgerufen werden. Sobald diese Änderung auftritt, gibt es keine weitere Änderung, was bedeutet, dass eine vorhersagbare Alles-oder-Nichts-Antwort mit vollständiger Gleichförmigkeit im gesamten Polymer auftritt.

Intelligente Polymere können die Konformation, Adhäsivität oder Wasserretention durch geringfügige Änderungen des pH-Werts, der Ionenstärke, der Temperatur oder anderer Auslöser verändern.

Ein weiterer Faktor für die Wirksamkeit von Smart Polymeren liegt in der Natur von Polymeren im Allgemeinen. Die Stärke der Reaktion jedes Moleküls auf Änderungen der Stimuli ist die Zusammensetzung von Veränderungen einzelner Monomereinheiten, die allein schwach wären.

Diese schwachen Antworten, die zu Hunderten oder Tausendfachen zusammengesetzt sind, erzeugen jedoch eine beträchtliche Kraft, um biologische Prozesse anzutreiben.

Klassifikation und Chemie

Gegenwärtig ist die häufigste Verwendung für intelligente Polymere in der Biomedizin für eine gezielte Arzneimittelabgabe . Seit dem Erscheinen von Arzneimitteln mit zeitlicher Freisetzung standen Wissenschaftler vor dem Problem, Wege zu finden, Arzneimittel an einen bestimmten Ort im Körper zu liefern , ohne dass sie sich zuerst in dem stark sauren Milieu zersetzen Magen-Umgebung. Die Vorbeugung von schädlichen Auswirkungen auf gesunden Knochen und Gewebe ist ebenfalls eine wichtige Überlegung. Die Forscher haben Wege gefunden, intelligente Polymere zu verwenden, um die Freisetzung von Arzneimitteln zu kontrollieren, bis das Abgabesystem das gewünschte Ziel erreicht hat. Diese Freisetzung wird entweder durch einen chemischen oder physiologischen Auslöser gesteuert.

Lineare und Matrix intelligente Polymere existieren mit einer Vielzahl von Eigenschaften, die von reaktiven funktionellen Gruppen und Seitenketten abhängen. Diese Gruppen könnten auf pH, Temperatur, Ionenstärke, elektrische oder magnetische Felder und Licht ansprechen. Einige Polymere sind durch nichtkovalente Bindungen reversibel vernetzt, die in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen brechen und sich neu bilden können. Die Nanotechnologie war grundlegend für die Entwicklung bestimmter Nanopartikelpolymere wie Dendrimere und Fullerene, die für die Wirkstoffabgabe eingesetzt wurden.

Die traditionelle Arzneimittelverkapselung wurde unter Verwendung von Milchsäurepolymeren durchgeführt. Neuere Entwicklungen haben die Bildung von gitterartigen Matrizen gesehen, die das interessierende Arzneimittel zwischen den Polymersträngen integriert oder eingeschlossen halten.

Smart-Polymer-Matrices setzen Wirkstoffe durch eine chemische oder physiologische strukturverändernde Reaktion frei, oft eine Hydrolysereaktion, die zu einer Spaltung von Bindungen und einer Freisetzung des Wirkstoffs führt, wenn die Matrix in biologisch abbaubare Komponenten zerfällt. Die Verwendung von natürlichen Polymeren ist künstlich synthetisierten Polymeren wie Polyanhydriden, Polyestern, Polyacrylsäuren, Poly (methylmethacrylaten) und Polyurethanen gewichen. Hydrophile, amorphe, niedermolekulare Polymere, die Heteroatome enthalten (d. H. Andere Atome als Kohlenstoff), haben sich am schnellsten abgebaut. Wissenschaftler kontrollieren die Geschwindigkeit der Arzneimittelabgabe, indem sie diese Eigenschaften variieren und so die Abbaurate anpassen.

Pfropf-und-Block -Copolymere bestehen aus zwei verschiedenen Polymeren, die zusammen gepfropft sind. Eine Anzahl von Patenten existiert bereits für verschiedene Kombinationen von Polymeren mit unterschiedlichen reaktiven Gruppen. Das Produkt weist Eigenschaften beider Einzelkomponenten auf, die einer intelligenten Polymerstruktur eine neue Dimension verleihen und für bestimmte Anwendungen nützlich sein können. Die Vernetzung von hydrophoben und hydrophilen Polymeren führt zur Bildung von micellartigen Strukturen, die die Arzneimittelabgabe durch ein wässriges Medium schützend unterstützen können, bis die Bedingungen am Zielort einen gleichzeitigen Abbau beider Polymere bewirken.

Ein Pfropf-und-Block-Ansatz könnte nützlich sein, um Probleme zu lösen, die bei der Verwendung eines üblichen bioadhäsiven Polymers, Polyacrylsäure (PAAc), auftreten. PAAc haftet an Schleimhautoberflächen, quillt und zersetzt sich jedoch schnell bei einem pH-Wert von 7,4, was zu einer raschen Freisetzung von Arzneimitteln führt, die in seiner Matrix eingeschlossen sind. Eine Kombination von PAAc mit einem anderen Polymer, das gegenüber Änderungen bei neutralem pH weniger empfindlich ist, kann die Verweilzeit erhöhen und die Freisetzung des Arzneimittels verlangsamen, wodurch die Bioverfügbarkeit und Wirksamkeit verbessert werden.

Hydrogele sind Polymernetzwerke, die sich nicht in Wasser auflösen, aber in wechselnden wässrigen Umgebungen quellen oder kollabieren . Sie sind in der Biotechnologie zur Phasentrennung nützlich, da sie wiederverwendbar oder recycelbar sind. Es werden neue Wege zur Kontrolle des Flusses oder des Abfangens und der Freisetzung von Zielverbindungen in Hydrogelen untersucht. Hochspezialisierte Hydrogele wurden für die Abgabe und Freisetzung von Arzneimitteln in bestimmte Gewebe entwickelt.

Aus PAAc hergestellte Hydrogele sind aufgrund ihrer bioadhäsiven Eigenschaften und ihrer enormen Absorptionsfähigkeit besonders verbreitet.

Die Enzymimmobilisierung in Hydrogelen ist ein ziemlich gut etablierter Prozess. Reversibel vernetzte Polymernetzwerke und Hydrogele können in ähnlicher Weise auf ein biologisches System angewendet werden, bei dem die Reaktion und Freisetzung eines Arzneimittels durch das Zielmolekül selbst ausgelöst wird.

Alternativ könnte die Antwort durch das Produkt einer Enzymreaktion ein- oder ausgeschaltet werden. Dies geschieht häufig durch Einbau eines Enzyms, Rezeptors oder Antikörpers, das an das Molekül von Interesse bindet, in das Hydrogel. Einmal gebunden, findet eine chemische Reaktion statt, die eine Reaktion aus dem Hydrogel auslöst. Der Auslöser kann Sauerstoff sein, der unter Verwendung von Oxidoreduktaseenzymen oder einer pH-Sensing-Antwort gemessen wird. Ein Beispiel des letzteren ist der kombinierte Einschluss von Glucoseoxidase und Insulin in einem pH-responsiven Hydrogel. In Gegenwart von Glucose löst die Bildung von Gluconsäure durch das Enzym die Freisetzung von Insulin aus dem Hydrogel aus.

Zwei Kriterien für eine effektive Arbeit dieser Technologie sind Enzymstabilität und schnelle Kinetik (schnelle Reaktion auf den Trigger und Erholung nach Entfernung des Triggers). Mehrere Strategien wurden in der Typ-1-Diabetes-Forschung getestet, wobei ähnliche Arten von intelligenten Polymeren verwendet wurden, die Änderungen im Blutglucosespiegel erkennen und die Produktion oder Freisetzung von Insulin auslösen können. In ähnlicher Weise gibt es viele mögliche Anwendungen ähnlicher Hydrogele als Arzneimittelabgabemittel für andere Zustände und Krankheiten.

Smart Polymere sind nicht nur für die Medikamentenabgabe. Ihre Eigenschaften machen sie besonders geeignet für Bioseparationen .

Die Zeit und Kosten, die mit der Reinigung von Proteinen verbunden sind, könnten signifikant reduziert werden, indem intelligente Polymere verwendet werden, die als Reaktion auf eine Änderung der Medieneigenschaften schnelle reversible Veränderungen erfahren. Konjugierte Systeme werden seit vielen Jahren in physikalischen und Affinitätstrennungen und Immunoassays verwendet. Mikroskopische Veränderungen in der Polymerstruktur manifestieren sich als Präzipitatbildung, die verwendet werden kann, um die Abtrennung von gefangenen Proteinen von der Lösung zu unterstützen.

Diese Systeme arbeiten, wenn ein Protein oder ein anderes Molekül, das von einer Mischung getrennt werden soll, ein Biokonjugat mit dem Polymer bildet und sich mit dem Polymer niederschlägt, wenn seine Umgebung eine Veränderung erfährt. Der Niederschlag wird aus dem Medium entfernt, wodurch die gewünschte Komponente des Konjugats vom Rest der Mischung abgetrennt wird. Die Entfernung dieser Komponente aus dem Konjugat hängt von der Wiedergewinnung des Polymers und der Rückkehr zu seinem ursprünglichen Zustand ab, daher sind Hydrogele für solche Verfahren sehr nützlich.

Ein weiterer Ansatz zur Kontrolle biologischer Reaktionen unter Verwendung von intelligenten Polymeren besteht darin, rekombinante Proteine ​​mit eingebauten Polymerbindungsstellen in der Nähe von Liganden oder Zellbindungsstellen herzustellen. Diese Technik wurde verwendet, um Liganden- und Zellbindungsaktivität zu steuern, basierend auf einer Vielzahl von Auslösern, einschließlich Temperatur und Licht.

Zukünftige Anwendungen

Es wurde vorgeschlagen, Polymere zu entwickeln, die im Laufe der Zeit lernen und sich selbst korrigieren können .Obwohl dies eine weit entfernte Möglichkeit sein könnte, gibt es andere realisierbare Anwendungen, die in naher Zukunft kommen werden. Eine davon ist die Idee von intelligenten Toiletten, die Urin analysieren und helfen, Gesundheitsprobleme zu identifizieren. In der Umweltbiotechnologie wurden auch intelligente Bewässerungssysteme vorgeschlagen. Es wäre unglaublich nützlich, ein System zu haben, das sich ein- und ausschaltet und die Düngemittelkonzentrationen auf der Grundlage der Bodenfeuchtigkeit, des pH-Werts und des Nährstoffgehalts steuert. Viele kreative Ansätze für zielgerichtete Drug-Delivery-Systeme, die sich aufgrund ihrer einzigartigen zellulären Umgebung selbst regulieren, werden ebenfalls untersucht.

Es gibt offensichtliche mögliche Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von intelligenten Polymeren in der Biomedizin. Am besorgniserregendsten ist die Möglichkeit der Toxizität oder Inkompatibilität von künstlichen Substanzen im Körper, einschließlich Abbauprodukten und Nebenprodukten. In der Biotechnologie und biomedizinischen Anwendungen haben Smart-Polymere jedoch ein enormes Potenzial, wenn diese Hindernisse überwunden werden können.

_Quellen

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