Нанокомпозитные гидрогели - Nanocomposite hydrogels

Нанокомпозитные гидрогели (Гели NC) представляют собой наполненные наноматериалом гидратированные полимерные сетки, которые обладают более высокой эластичностью и прочностью по сравнению с традиционно изготавливаемыми гидрогели. Ассортимент натуральных и синтетических полимеры используются для проектирования нанокомпозитной сети. Контролируя взаимодействие между наночастицы и полимер цепочки, можно спроектировать ряд физических, химических и биологических свойств.[1] Комбинация органической (полимер) и неорганической (глина) структуры придает этим гидрогелям улучшенные физические, химические, электрические, биологические свойства, а также свойства набухания / уменьшения набухания, которые не могут быть достигнуты с помощью одного материала.[2] Вдохновленные гибкими биологическими тканями, исследователи используют углеродные, полимерные, керамические и / или металлические наноматериалы, чтобы придать этим гидрогелям превосходные характеристики, такие как оптические свойства и чувствительность к стимулам, которые потенциально могут быть очень полезны для медицины (особенно для доставки лекарств и разработки стволовых клеток). и механические поля.[2]

Нанокомпозитные гидрогели не следует путать с наногель, наночастица, состоящая из гидрогеля.

Синтез

Синтез нанокомпозит гидрогели - это процесс, требующий определенного материала и метода. Эти полимеры должны состоять из равномерно распределенных, диаметром 30 нм, глина тромбоциты, которые могут набухать и расслаиваться в присутствии воды. Тромбоциты действуют как перекрестные ссылки для изменения молекулярных функций, чтобы дать гидрогелям возможность иметь превосходную эластичность и прочность, которые очень напоминают биологическую ткань.[3] Использование пластинок глины, которые не набухают и не расслаиваются в воде, использование органического сшивающего агента, такого как N, N-метиленбисакриламид (BIS), смешение глины и BIS, или приготовление нанокомпозитных гидрогелей другим способом, кроме сшивки, будет неудачный.[4]

Несмотря на все спецификации, процесс синтеза нанокомпозитных гидрогелей прост, а из-за гибкости материала эти гидрогели могут быть легко изготовлены в различных формах, таких как огромные блоки, листы, тонкие пленки, стержни, полые трубки, сферы. , сильфоны и неровные листы.[5]

Характеристики

Механический

Нанокомпозитные гидрогели прочны и могут выдерживать растяжение, изгиб, образование узлов, раздавливание и другие модификации.

Растяжимый

Испытания на растяжение были выполнены на нанокомпозитных гидрогелях для измерения напряжения и деформации, которые он испытывает при удлинении при комнатной температуре. Результаты показывают, что этот материал можно растянуть до 1000% от исходной длины.[6]

Сжатие

Гистерезис используется для измерения компрессионных свойств нанокомпозитных гидрогелей, что показывает, что этот материал может выдерживать сжатие около 90%. Эти данные показывают, что нанокомпозитные гидрогели обладают превосходной прочностью по сравнению с традиционными гидрогели, который сломался бы при меньшем сжатии.

Отек и чувствительность к раздражителям

Отек, отек

Пористая сеть частиц глины позволяет нанокомпозитным гидрогелям набухать в присутствии воды. Набухание (и уменьшение набухания) отличает гели NC от гидрогелей традиционного производства (OR-гели), поскольку это свойство, которого у OR-гелей нет. Свойство набухания гелей NC позволяет им собирать окружающий водный раствор, а не растворяться в нем, что помогает сделать их хорошими кандидатами в качестве носителей для доставки лекарств.[7]

Чувствительность к стимулу

Наблюдается, что нанокомпозитные гидрогели чувствительны к температуре и изменяют температуру, когда изменяется их окружение.[8] Поглощение неорганических солей приведет к изменению температуры гидрогелей на более низкую, тогда как катионное поверхностно-активное вещество изменит температуру в другую сторону. Температура этих гидрогелей составляет около 40 градусов по Цельсию, что делает их возможным кандидатом для использования в качестве биоматериала.[9] Чувствительность гидрогелей к стимулам позволяет создать систему ответного высвобождения, в которой гидрогели могут быть разработаны для доставки лекарственного средства в ответ на изменения состояния тела.

Типы

Через углеродные наноматериалы

Нанокомпозитные гидрогели, усиленные углеродными наноматериалами, обладают механической прочностью и электропроводностью, что делает их пригодными для использования в биомедицине, тканевой инженерии, доставке лекарств и т. Д. биосенсор и т.д. Электропроводящие свойства этих гидрогелей позволяют имитировать характеристики нервных, мышечных и сердечных тканей. Однако, несмотря на то, что эти нанокомпозитные гидрогели демонстрируют некоторые функции тканей человека в лабораторных условиях, необходимы дополнительные исследования, чтобы убедиться, что они пригодны для замены тканей.[10]

Через полимерные наночастицы

Нанокомпозитные гидрогели, содержащие полимерные наночастицы, предназначены для доставки лекарств и тканевой инженерии. Добавление полимерных наночастиц дает этим гидрогелям усиленную полимерную сеть, которая является более жесткой и имеет способность включать в себя гидрофильные и гидрофобные лекарственные средства вместе с генами и белками. Благодаря своей способности поглощать стрессы они являются потенциальным кандидатом для инженерии хрящевой ткани.[10]

Через неорганические наночастицы

Большинство неорганических наночастиц, используемых в нанокомпозитных гидрогелях, уже присутствуют в организме и необходимы ему, поэтому не оказывают негативного воздействия на организм. Некоторые из них, такие как кальций и кремний, помогают предотвратить потерю костной массы и развитие скелета. Другие, такие как наноглины, улучшают структурное образование и характеристики гидрогелей, приобретая самовосстанавливающиеся свойства, огнестойкие структуры, эластичность, сверхгазовую барьерную мембрану, маслоотталкивающие свойства и т. Д. Уникальные свойства, полученные за счет включения нанокомпозитных гидрогелей с неорганическими наночастицами. позволит исследователям работать над улучшением тканевой инженерии, связанной с костями.[10]

Через металл и наночастицы оксидов металлов

Электропроводность, теплопроводность и магнитные свойства металлов улучшают электропроводность и антибактериальные свойства нанокомпозитных гидрогелей при включении. Электропроводящие свойства необходимы для того, чтобы гидрогели начали формировать функциональные ткани и использоваться в качестве агентов визуализации, систем доставки лекарств, проводящих каркасов, переключаемой электроники, исполнительных механизмов и датчиков.[нужна цитата ]

Приложения

Исследователи искали материал, который может имитировать свойства ткани, чтобы сделать тканевая инженерия процесс более эффективен и менее инвазивен для человеческого организма. Пористая взаимосвязанная сеть нанокомпозитных гидрогелей, созданная за счет сшивки, позволяет отходам и питательным веществам легко входить и выходить из структуры, а их эластомерные свойства позволяют им приобретать желаемую анатомическую форму без необходимости предварительного формования. Пористая структура этого материала также сделает процесс доставки лекарств легче, когда фармацевтические соединения, присутствующие в гидрогеле, могут легко выделяться и абсорбироваться организмом. Помимо этого, исследователи также рассматривают возможность включения нанокомпозитных гидрогелей с наночастицы серебра для антибактериального применения и уничтожения микроорганизмов в медицинской и пищевой упаковке, а также для очистки воды. Гидрогели, наполненные наночастицами, имеют ряд биологических применений, включая тканевую инженерию, химическое и биологическое зондирование, а также доставку лекарств и генов.

Тканевая инженерия

В качестве замены тканей нанокомпозитные гидрогели должны взаимодействовать с клетками и формировать функциональные ткани. Со встроенными наночастицами и наноматериалами эти гидрогели могут имитировать физические, химические, электрические и биологические свойства большинства природных тканей. Каждый тип нанокомпозитных гидрогелей имеет свои уникальные свойства, которые позволяют имитировать определенные типы тканей животных.

Доставки лекарств

Появление нанокомпозитных гидрогелей позволяет осуществлять доставку лекарств разного размера в более узкую и управляемую по времени с повышенной безопасностью и специфичностью. В зависимости от метода введения лекарства в материал, например, растворенного, заключенного в оболочку или прикрепленного, носитель лекарства будет называться по-разному: наночастицы, наносферы (где лекарство равномерно диспергировано по полимерной сети) или нанокапсулы (где лекарство окружено структурой полимерной оболочки).[7] Эластомерная природа этого материала позволяет гидрогелям приобретать форму целевого участка, и, таким образом, гидрогели могут быть изготовлены одинаково и использоваться для всех пациентов.[11]

Гидрогели - это агенты для контролируемой доставки лекарств, которые могут иметь желаемые свойства.[12] В частности, гидрогели могут быть разработаны для высвобождения лекарств или других агентов в ответ на физические характеристики окружающей среды, такие как температура и pH.[12] Отзывчивость гидрогелей является результатом их молекулярной структуры и полимерных сетей.[12]

У наночастиц гидрогеля многообещающее будущее в области доставки лекарств. В идеале системы доставки лекарств должны «… максимизировать эффективность и безопасность терапевтического агента, доставляя соответствующее количество с подходящей скоростью и в наиболее подходящее место в организме».[13] Нанотехнология, встроенная в гидрогели, может удовлетворить все требования к идеальной системе доставки лекарств. Гидрогели были изучены с различными нанокомпозитами, включая глину, золото, серебро, оксид железа, углеродные нанотрубки, гидроксиапатит и трикальцийфосфат.[13]

Наночастицы, во многом из-за их физических свойств, связанных с размером, очень полезны в качестве агентов доставки лекарств. Они могут преодолевать физиологические барьеры и достигать конкретных целей.[14] Размер, поверхностный заряд и свойства наночастиц позволяют им преодолевать биологические барьеры, недоступные для большинства других носителей лекарств.[14] Чтобы стать еще более конкретным, наночастицы могут быть покрыты целевыми лигандами.[14] Способность наночастиц доставлять лекарства к конкретным мишеням предполагает возможность ограничения системных побочных эффектов и иммунных реакций.[15]

Способность наночастиц переносить и высвобождать лекарственные средства также во многом зависит от характеристик, которые являются результатом небольшого размера и уникального отношения площади поверхности к объему наночастиц. Наночастицы, как правило, могут переносить лекарства двумя способами: лекарства могут либо связываться с внешней стороной наночастиц, либо упаковываться в полимерную матрицу наночастиц.[14] Более мелкие наночастицы имеют более высокий коэффициент площади поверхности и, таким образом, могут связывать большое количество лекарственного средства, в то время как более крупные наночастицы могут инкапсулировать большее количество лекарственного средства в своем ядре.[15] Наилучший метод загрузки лекарственного средства зависит от структуры связываемого лекарственного средства. Кроме того, загрузка лекарственного средства может происходить по мере производства наночастиц, или лекарства могут быть добавлены к уже существующим наночастицам.[14] Высвобождение лекарства во многом зависит от размера наночастицы, несущей его. Поскольку наночастицы могут быть связаны с поверхностью наночастиц, которая велика по сравнению с объемом частиц, лекарства могут высвобождаться быстро. Напротив, лекарства, содержащиеся в наночастицах, высвобождаются медленнее.[14]

Антибактериальные аппликации

Наночастицы серебра вставляются в трехмерные полимерные сети нанокомпозитных гидрогелей для применения в антибактериальной активности и улучшении электропроводности. Присутствие ионов серебра либо останавливает респираторный фермент от передачи электронов молекулам кислорода во время дыхания, либо предотвращает реакцию белков с тиоловыми группами (-SH) на мембране бактерий, что приводит к гибели бактерий и микроорганизмов без повреждения клеток млекопитающих.[16] Размер этих наночастиц серебра должен быть достаточно маленьким, чтобы проходить через клеточную мембрану, и, следовательно, необходимы дальнейшие исследования для производства их до нужных размеров.

Обеспокоенность

Некоторые опасения, связанные с гидрогелями, наполненными наночастицами, связаны с вероятностью разрыва или неполного высвобождения лекарств.[13] Хотя предполагается, что гидрогели, наполненные наночастицами, являются весьма многообещающими методами доставки лекарств, белков, пептидов, олигосахаридов, вакцин и нуклеиновых кислот, необходимы дополнительные исследования, касающиеся нанотоксикологии и безопасности, прежде чем можно будет продолжить клиническое применение.[14] Кроме того, во избежание накопления весьма желательны биоразлагаемые гели и наночастицы.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кэрроу, Джеймс К .; Гахарвар, Ахилеш К. (ноябрь 2014 г.). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины». Макромолекулярная химия и физика. 216 (3): 248–264. Дои:10.1002 / macp.201400427.
  2. ^ а б Песня, Fangfang; Ли, Сяоцюн; Ван, Цюнь; Ляо, Лицюн; Чжан, Чао (август 2015 г.). «Нанокомпозитные гидрогели и их применение в доставке лекарств и тканевой инженерии». Журнал биомедицинских нанотехнологий. 11 (1): 40–52. Дои:10.1166 / jbn.2015.1962. PMID  26301299. Получено 22 октября 2016.
  3. ^ Haraguchi, K .; Такехиса, Т. (2002). «Интернет-библиотека Wiley». Современные материалы. 14 (16): 1120. Дои:10.1002 / 1521-4095 (20020816) 14:16 <1120 :: aid-adma1120> 3.0.co; 2-9. Получено 22 октября 2016.
  4. ^ Харагути, Кадзутоши (22 мая 2008 г.). «Нанокомпозитные гидрогели» (PDF).
  5. ^ Харагути, Кадзутоши (01.09.2007). «Нанокомпозитные гели: новые современные функциональные мягкие материалы». Макромолекулярные симпозиумы. 256 (1): 120–130. Дои:10.1002 / masy.200751014. ISSN  1521-3900.
  6. ^ Харагути, Кадзутоши (01.06.2007). «Нанокомпозитные гидрогели». Современное мнение в области твердого тела и материаловедения. 11 (3–4): 47–54. Bibcode:2007COSSM..11 ... 47H. Дои:10.1016 / j.cossms.2008.05.001.
  7. ^ а б Хамиди, Мехрдад; Азади, Амир; Рафией, Педрам (14 декабря 2008 г.). «Наночастицы гидрогеля в доставке лекарств». Расширенные обзоры доставки лекарств. Сборник редакции 2008 года. 60 (15): 1638–1649. Дои:10.1016 / j.addr.2008.08.002. PMID  18840488.
  8. ^ Харагути, Кадзутоши; Ли Хуань-цзюнь; Песня, Лиюань (2007). Ху, Ям Чун (ред.). «Уникальные оптические и физические свойства мягких, прозрачных, чувствительных к раздражителям нанокомпозитных гелей». Жидкие кристаллы XI. 6654: 66540O. Дои:10.1117/12.734714.
  9. ^ Ся, Мэнге; Ву, Вэйцзе; Лю, Фэнвэй; Теато, Патрик; Чжу, Мэйфан (01.08.2015). «Набухание термочувствительных нанокомпозитных гидрогелей, состоящих из олиго (этиленгликоль) метакрилатов и глины». Европейский Полимерный Журнал. 69: 472–482. Дои:10.1016 / j.eurpolymj.2015.03.072.
  10. ^ а б c Гахарвар, Ахилеш К .; Пеппас, Николас А .; Хадемхоссейни, Али (2014-03-01). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения». Биотехнологии и биоинженерия. 111 (3): 441–453. Дои:10.1002 / бит. 25160. ISSN  0006-3592. ЧВК  3924876. PMID  24264728.
  11. ^ Шмидт, Гудрун; Ву, Чиа-Юнг; Кантер, Джейми М .; Dammu, Sandhya A .; Гахарвар, Ахилеш К. (2011). «Сильно растяжимые, прочные и эластомерные нанокомпозитные гидрогели из наночастиц поли (этиленгликоля) и гидроксиапатита». Биомакромолекулы. 12 (5): 1641–1650. Дои:10.1021 / bm200027z. PMID  21413708. Получено 2015-11-09.
  12. ^ а б c Peppas, N .; Hilt, J. Z .; Хадемхоссейни, А. Гидрогели в биологии и медицине: от молекулярных принципов к бионанотехнологии. Современные материалы. [В сети] 2006, 18, 1345 - 1360. (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
  13. ^ а б c Чирилло, G .; Hampel, S .; Спиззирри, У. Гибридные гидрогели углеродных нанотрубок в доставке лекарств: перспективный обзор. Biomed Research International, Хиндави. [В сети] 2014 http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/825017/ (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
  14. ^ а б c d е ж грамм час Goncalves, C .; Periera, P .; Гама, М. Самособирающиеся наночастицы гидрогеля для приложений доставки лекарств. Материалы. [В сети] 2010, 3, 1420-1460. http://www.mdpi.com/journal/materials (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
  15. ^ а б 1) Наяк, С .; Лион, Л. Мягкие нанотехнологии с мягкими наночастицами. Нанотехнологии. [В сети] 2005, 44.47. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200501321/pdf (по состоянию на 9 октября 2015 г.).
  16. ^ Чандра Бабу, А .; Prabhakar, M.N .; Суреш Бабу, А .; Малликарджуна, Б .; Subha, M.C.S .; Чоудоджи Рао, К. (2013). «Разработка и характеристика нанокомпозитных гидрогелей Semi-IPN Silver для антибактериального применения». Международный журнал химии углеводов. 2013: 1–8. Дои:10.1155/2013/243695.