Hüdrogeelid ja nende elupäästmisvõimalused

Tere tulemast hüdrogeelide maailma - nanosuuruses materjalid, mis võivad mõjutada miljardeid kogu maailmas!

Kuna me olime lapsed, on meile õpetatud, et asjad eksisteerivad kolmes olekus: tahke, vedel ja gaasiline. Kuid loodus on tegelikult keerukam kui see, kus riikide vahel eksisteerivad mõned materjalid. Mõelge näiteks želatiinile, koostisosale, mis paneb magustoidud hüplema. See ei ole tahke ega vedel ega gaas; see on hüdrogeel!

Hüdrogeelid on vees lahustumatud, ristseotud, polümeeride ahelate kolmemõõtmelised võrgud, ühendatud veega, mis täidab polümeeriahelate vahel olevad tühimikud. Polümeeride ahelate ristsidemetega saadakse konstruktsiooni mehaaniline tugevus ja füüsiline terviklikkus. Hüdrogeelid on väga imavad, sisaldades vähemalt 90% vett. See on veelgi suurem vee protsent, mida inimkeha suudab säilitada!

Lisaks on hüdrogeel kergesti programmeeritav materjal, mis tähendab, et saame kavandada keemilisi reaktsioone hüdrogeeli ühendamiseks teiste molekulidega konkreetsel eesmärgil.

Alates 1960. aastatest on teadlased kujutanud hüdrogeeli kui paljulubavat kandidaati püsivate kontaktirakenduste jaoks - need, mis implanteeritakse kehasse püsivalt, ilma keha immuunsussüsteemist väljutamata.

Siin on lahedam osa: hüdrogeelid on nutikad materjalid! Need muudavad vastusena keskkonna erinevatele muutustele mõnda omadust, näiteks kuju. Mõned tavalised stiimulid nutikatele hüdrogeelidele bioloogilistes rakendustes on pH, temperatuur ja ioontugevus. See võimaldab hüdrogeelidel olla ideaalsed kandidaadid keha lokaliseeritud keskkonda sisenemisel. Samuti võime muuta väliskeskkonda väljastpoolt, et manipuleerida hüdrogeeli aktiivsusega kehas.

Mis teeb hüdrogeelid nii tarkadeks?

Polümeeri karkassi külge on kinnitatud palju funktsionaalseid rühmi, üheks silmapaistvaks näiteks on karboksüülhappe rühmad või RCOOH. Kui veele lisatakse karboksüülhappe rühma, võib happerühma vesinik dissotsieeruda. Tulemuseks on negatiivse laenguga karboksülaatioon (RCOO-) ja vesinikuioon (H +). Kui keskkond soosib vesiniku dissotsieerumist, siis on polümeeriahelas selgroog palju negatiivseid laenguid. Polümeeriahelate negatiivsed laengud tõrjuvad üksteist, põhjustades hüdrogeeli lahtirullimise (avanemise). Negatiivsed laengud suurendavad ka polümeeri ligitõmbumist veele, meelitades vee positiivset vesiniku dipooli.

Samuti on RCOOH reaktsioon RCOO- -le pöörduv ja keemiline keskkond määrab, kas edasine reaktsioon toimub. Kuna polümeeri karkass peab oma keskkonnas leiduvate keemiliste molekulide suhtes olema negatiivsem, eelistab H + rikas / happeline (madal pH) keskkond ROOH - või neutraalset karkassi. Teisest küljest soosib rohkem leeliseid (kõrgem pH) negatiivset laengut. Poom, see on näide sellest, kuidas väike pH taseme muutus võib märkimisväärselt mõjutada hüdrogeelide paisumise astet!

Narkootikumide kohaletoimetamine

Üks põnevamaid katsetatavaid kliinilisi rakendusi on ravimite kohaletoimetamine. I tüüpi diabeediga inimesed peavad oma veresuhkru taseme kontrollimiseks pidevalt süstima insuliini.

Hüdrogeelid aitaksid patsientidel sellest vajadusest loobuda. Tegelikult kasutavad teadlased polü (β-aminoestrit) (PAE) naha alla süstitavate hüdrogeelide sünteesimiseks, mis loob kehas insuliini ladestumise. Insuliin hajub keskkonnast looduslikult kõrgema kontsentratsiooniga madalama insuliini kontsentratsioonini, mis viib hormooni aeglase vabanemiseni hüdrogeeli sisemusest vereringesse.

Sel moel saab mitu insuliini süsti asendada ühe hüdrogeeli süstiga!

Värske veri kahjustatud kudedele

Hüdrogeelid ei asenda mitte ainult insuliinipilte, vaid on ka paljutõotav alternatiiv verd vedeldavatele ravimitele ning angioplastikale ja operatsioonile - praegustele isheemia ravimeetoditele.

Ajuisheemia demonstratsioon - insuldi tüüp, mis tekib siis, kui aju verevarustus on katkenud

Isheemia on tõsine meditsiiniline seisund, mille korral verevool ja hapniku tarnimine kudedesse on piiratud, põhjustades valu, nõrkust ning tõsisemalt kudede ja organite kahjustusi. Kui isheemia toimub lihaskoes, eriti ateroskleroosi kujul, võib see põhjustada surmaga lõppevaid haigusi, näiteks pärgarteritõbi ja insult - mis on praegu Maailma Terviseorganisatsiooni andmetel peamine surmapõhjus.

Teadlased on leidnud isheemia raviks väga huvitava lähenemisviisi: Uute veresoonte kasvatamine verevoolu suurendamiseks isheemilises kohas angiogeensete kasvufaktorite, näiteks vaskulaarse endoteeli kasvufaktori (VEGF) ja insuliinitaolise kasvufaktori-1 (IGF) kohaletoimetamise kaudu. !

Pärast VEGF-i ja IGF-iga infundeerimist saab alginaadi hüdrogeele mikronõelte abil kehasse viia.

Peptiidiga modifitseeritud kitosaani hüdrogeel, mis põhjustab uute veresoonte teket. (Chen jt (2015). Laminiini mimeetiline peptiid SIKVAV-kitosaani hüdrogeel, mis soodustab haavade paranemist angiogeneesi, uuesti epitelisatsiooni ja kollageeni ladestumise soodustamise teel. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Tavaliselt suureks rühmaks rühmitatud mikronõelad on mõeldud nahale kandmiseks nagu plaaster. Nahapinnale pressimisel suudavad nõelad ületada naha kõige välimise kihi (sarvkihi), mis loob seejärel mikroskoopilised poorid, võimaldades kasvufaktoritel kehasse siseneda ja stimuleerides uute veresoonte kasvu põhjustamata olemasolevate kahjustused.

Kemikaale vabastavate mikronõelte demonstratsioon

Superbugide tapmine

Bioenergeetika ja nanotehnoloogia instituudi (IBN) ja IBM Researchi teadlased töötasid välja kõigi aegade esimese antimikroobse hüdrogeeli, mis suudab biokeemid laguneda ja hävitada hüdrogeelide kasutamisel kokkupuutel multiravimikindlad superbugid. Ja see on tõeliselt hämmastav!

Acinetobacter baumannii bakterite normaalsed rakud enne (vasakul) ja pärast (paremal) töötlemist polümeeridega [Autor: Bioenergeetika ja Nanotehnoloogia Instituut]

Bakterite ravimisel on tänapäeval põhiprobleem: antibiootikumid on need, millel on haamriosa, mis kahandab ja hävitab soolestiku mikroobide koosluse.

On tõesti oluline mõista, et kui jätkame antibiootikumide kasutamist kuni 2050. aastani, sureb bakteriaalsete infektsioonide tõttu aastas 10 miljonit inimest. See on veelgi rohkem surmajuhtumeid kui igat tüüpi vähiliigid kokku.

Hüdrogeelidesse saab laadida uusi metalli nanoosakesi, mis on uus viis mikroobide vastu võitlemiseks. Näiteks Ag nanoosakestest vabanenud Ag + interakteerub bakterimembraanide valkude teatud piirkondades tsüsteiiniga, põhjustades K + kaotust seestpoolt ja raku transpordisüsteemide häireid, mis viib lõpuks bakterirakkude surmani.

Polümeeri neljaastmelise tapmismehhanismi skeem ravimresistentsete superlugide vastu (1. samm) Positiivselt laetud polümeeri seondumine bakteriraku pinnaga (2. samm) Polümeeri positiivsete laengude neutraliseerimine bakteriraku membraanile sisenemiseks , (Etapp 3) tungimine raku täitvasse vedelikku bakteri tsütoplasmasse ja (etapp 4) tsütoplasmaatiliste ainete sadestamine bakteri hävitamiseks. (Krediit: Bioenergeetika ja Nanotehnoloogia Instituut)

Ka muud uuringud on näidanud, et Ag + interakteerub rakuseina valkude ja bakterite plasmamembraaniga. Ag + kombineerimine negatiivselt laetud membraaniga perforeerib membraani, võimaldades tsütoplasma sisul rakust välja voolata, hajutades H + gradiendi kogu membraanil ja põhjustades mõnikord rakusurma.

Tänu mitmekülgsele ja programmeeritavale olemusele on hüdrogeelid tänapäeval meie maailmas üks lihtsamaid, kuid samas intrigeerivamaid ja võimsamaid materjale!

Enne kui lähed,

Plaksutage seda artiklit, kui olete midagi uut õppinud.
Jagage seda kolleegide, pere ja sõpradega!
Järgige minu keskmist lehte, et olla kursis nanotehnoloogia, geenitehnoloogia, vananemise ja masinõppega!