Чтобы адаптироваться к изменениям в природе, живые системы корректируют свою структуру и функции в соответствии с условиями окружающей среды. Учёные вдохновляются природой и пытаются создать материалы, которые могут менять своё поведение в зависимости от ситуации, так же, как это делают живые организмы, чтобы выжить. Идея интеллектуальных материалов исходит из природных биологических систем, которые следуют механизму восприятия, реагирования и обучения. Умные полимеры, также известные как реагирующие на стимулы, представляют собой группу материалов, которые обладают способностью реагировать на определённые стимулы, подвергаясь обратимым изменениям своих свойств. Они обладают удивительными особенностями, которые вытекают из их гибкости — могут изменять свою молекулярную структуру и функции в соответствии с различными внешними стимулами или изменениями окружающей среды. Эти материалы подобны живым системам, которые адаптируются к своему окружению. Умные полимеры обладают уникальными и весьма желательными свойствами, которые делают их привлекательными для широкого спектра применений в медицине.
Полимеры — это очень большие молекулы, называемые макромолекулами, состоящие из множества повторяющихся субъединиц, которые обладают множеством различных свойств в зависимости от того, как они организованы и соединены. Один из их типов, который в последнее время привлекает много внимания и исследований, — это умные смарт-полимеры, которые также называются интеллектуальными или реагирующими на раздражители. Они могут изменять своё физическое или химическое поведение при столкновении с внешними стимулами, такими как кислотность (изменение pH), температура, приложение усилия, контакт с другими молекулами, взаимодействие с магнитными, индукционными или электрическими полями. Эти изменения можно обратить вспять и контролировать, проектируя структуру материала определённым образом. Умные полимеры могут чувствовать и адаптироваться к окружающей среде.
Изучение отличительных свойств и потенциальных применений этих веществ открывает многочисленные преимущества для применения в биоматериалах, такие как биосовместимость, биоразлагаемость и механическая гибкость. Кроме того, эти смарт-полимеры могут реагировать на биологические стимулы и выполнять такие функции, как доставка лекарств, доставка клеток или зондирование окружающей среды. Они уже использовались для различных прикладных целей в биологии и медицине, включая контролируемую и запускаемую доставку лекарств, исполняя функции датчиков и биосенсоров, химико-механических приводов и многое другое.
Их зарождение относится к концу 1950-х годов, когда учёные разработали первый синтетический гидрогель, который мог набухать и сжиматься в зависимости от ионной силы и кислотности раствора. Это было началом исследований, которые с тех пор распространились на многие области. Последующие десятилетия принесли новые открытия, такие как демонстрация изменения своих оптических свойств при изменении интенсивности света и длины волны, что привело к классификации фоточувствительных полимеров в 1970-х годах. В восьмидесятых была разработана итерация, которая могла изменять свою толщину в ответ на электрический ток.
Полимеры, содержащие чувствительные системы, могут кардинально менять свои свойства при встрече со стимулами. Эти стимулы могут изменять полимерные цепи различными способами, например, изменять их гидрофильность, форму, растворимость, деградацию и разрыв связей. Такие изменения влияют на структурное поведение. Стимулы могут быть химическими, физическими или биологическими. Физические стимулы (температура, фото- и электрочувствительные) обычно изменяют движение полимерных цепей, в то время, как химические (pH, ионная сила и окислительно-восстановительный потенциал) изменяют взаимодействие с растворителем или другими полимерами. Биологические (например, реакция на ферменты и глюкозу), включают молекулярные функции, такие как ферментативные реакции и рецепторное распознавание молекул. Некоторые могут реагировать на несколько стимулов одновременно и известны как полимеры, реагирующие на двойные стимулы.
В последнее время внимание фармакологии было сосредоточено на веществах, способных определять уровень глюкозы и соответствующим образом адаптировать свое поведение, что имеет значительный потенциал в медицинской сфере для таких задач, как мониторинг уровня глюкозы и доставка инсулина по мере необходимости. Эти полимеры могут действовать как естественный инсулин и предотвращать проблемы, вызванные диабетом, а также могут высвобождать полезные вещества регулируемым образом. Они чувствительны к сахару и реагируют по-разному в зависимости от того, сколько в них глюкозы. Разработанные с использованием реагирующих на глюкозу фрагментов, таких как бороновая кислота или фенилбороновая кислота, они образуют обратимые связи молекул глюкозы посредством ковалентных или нековалентных взаимодействий. Это связывание вызывает различные физические или химические изменения, включая набухание или сжатие, высвобождение инкапсулированных лекарств, модуляцию флуоресценции или проводимости.
Разработка и проектирование полимеров, реагирующих на ферменты, в последнее время стали новой и многообещающей областью исследований в области медицинского применения. Они разработаны так, чтобы испытывать обратимые изменения своих физических или химических свойств при столкновении с определённым стимулом, что приводит к различным возможным применениям в доставке лекарств, биосенсорах и тканевой инженерии. Эти новые типы могут создаваться в различных формах, таких как растворы, гели, самоорганизующиеся кластеры, (многослойные) покрытия и твёрдые материалы. Главной полезной особенностью их является то, что они могут претерпевать обратимые или необратимые изменения в своём химическом составе и/или физических характеристиках. Полимерные системы, реагирующие на ферменты, могут быть созданы с использованием составляющих, которые могут быть разложены ферментами, или путём модификации — группами, которые могут реагировать со специфическими ферментами. Их база основана на надмолекулярных структурах, химических поперечных связях и покрытиях наночастиц, которые могут реагировать с различными ферментами, такими как протеазы, липазы, фосфатазы, киназы, ацилтрансферазы, гликозидазы и окислительно-восстановительные ферменты.
Умные полимерные носители могут использоваться для доставки лекарств в ответ на стимул. Это цель умных полимеров, которые разработаны учёными для высвобождения лекарств контролируемым и целевым образом при воздействии определённых стимулов, изменяя своё поведение в зависимости от различных условий. Применение веществ, реагирующих на различные условия, для доставки лекарств восходит к концу 1970-х годов, когда исследователи использовали липидные носители, которые высвобождали лекарства при нагревании. Ключевые характеристики эффективных умных полимерных медицинских систем включают биоразлагаемость, биосовместимость, контролируемое высвобождение лекарств, высокую способность удерживать активные вещества, отсутствие вредных эффектов, таких как иммуногенность, токсичность, канцерогенность или репродуктивная токсичность, и общую стабильность. Эти полимеры демонстрируют значительные структурные изменения в ответ на незначительные стимулы. Изменения обратимы и включают изменения формы и растворимости, физического состояния, гидрофильного и липофильного балансов, проводимости и взаимодействия растворителей. Причины этих изменений включают добавление противоположно заряженных полимеров или изменение pH для нейтрализации заряженных групп, а также изменение температуры для воздействия на липофильный/гидрофильный баланс или водородные связи.
Использование систем доставки лекарств на основе smart-полимеров имеет множество преимуществ, к которым относятся возможность снижения требуемой частоты дозировки, простота производства, поддержание надлежащих уровней лекарств при однократном приёме, пролонгированное высвобождение лекарств, снижение побочных эффектов и повышение стабильности. В частности, эти системы обеспечивают целевую доставку лекарств в нужные места организма, избегая непреднамеренного воздействия на другие ткани. Этот целенаправленный подход особенно ценен для лекарств со сложными требованиями к доставке или потенциальным вредом для определённых тканей или клеток.
Биосенсоры — это устройства, которые обнаруживают и преобразуют сигналы окружающей среды в считываемые данные. Они играют решающую роль в различных областях, включая медицинскую диагностику и мониторинг окружающей среды. Умные химические соединения, о которых идёт речь в данной статье, могут быть разработаны для распознавания и реагирования на определённые биомолекулы, такие как маркеры заболеваний или лекарств. Они могут ощущать и реагировать на небольшие изменения химических/физических/биологических условий, поэтому исследователи заинтересованы в создании полимерных датчиков. Эти датчики могут помочь решить некоторые из проблем, с которыми сегодня сталкиваются многие отрасли. В клинической диагностике и судебно-медицинском анализе биосенсоры особенно полезны, поскольку они могут обнаруживать изменения физических переменных, таких как уровень кислотности, температура, или концентрации аналитов, которые связаны со многими заболеваниями. Они также могут непрерывно отслеживать изменения выбранных биологических параметров. В наше время продвинутых мощных серверов и искусственного интеллекта, можно создать формулу нужного агента с высокой селективностью и чувствительностью к определённым молекулам или аналитам. Это делается, как правило, путём добавления химических или биологических групп в полимерную основу, которые могут взаимодействовать с целевыми молекулами различными способами, такими как водородные связи, электростатические взаимодействия или ковалентные связи. Например, уже давно созданы датчики, меняющие свой цвет с красного на фиолетовый или синий, когда они находится в разных средах по уровню содержания определённых солей. В других разновидностях цвет также меняется, когда датчик подвергается воздействию различных ионных концентраций или кислой среды.
Тканевая инженерия — это область, которая использует интеллектуальные биополимеры для регенерации или замены тканей, либо органов, повреждённых или больных биологическими факторами. Идея тканевой инженерии заключается в создании каркасной структуры, которая имеет правильное химическое, физическое и механическое поведение, позволяющее клеткам проникать и формировать ткань в трёх измерениях. Каркас помогает ткани расти и исчезнет сам по себе, когда произойдёт полное заживление, поэтому нет необходимости удалять его позже и, тем самым, избежав любых проблем, связанных с оставлением посторонних объектов в организме.
Полимеры, реагирующие на температуру, играют решающую роль в тканевой инженерии, выполняя две основные функции: как поверхности, которые обеспечивают адгезию и пролиферацию клеток, и как инъекционные гели, которые образуют каркасы внутри тела. В первом случае полимеры могут заставить клетки прилипать или отлипать от них, изменяя температуру. Во втором случае клетки находятся внутри трёхмерной формы в теле. Каркас может быть построен внутри тела, включая необходимые клетки, питательные вещества и факторы роста. Этот метод позволяет каркасу адаптироваться к любой форме повреждения, нанося меньший вред, чем внешняя конструкция. Основная концепция заключается в смешивании полимера с клетками при комнатной температуре перед введением его в тело. По мере повышения температуры (до 37 °C), превышающей порог, который запускает трансформацию, вещество затвердевает в гель. Таким образом, клетки инкапсулируются в трёхмерную структуру геля.
Разработка интеллектуальных полимеров стала важной областью исследований, что привело к созданию новых материалов с захватывающими применениями в различных отраслях промышленности. Синергия между материаловедением, медициной, наукой и техникой, несомненно, даст толчок развитию целого комплекса материалов следующего поколения. Перспективы интеллектуальных полимерных материалов в медицинской сфере обнадёживают, а текущие разработки направлены на усиление их потенциала и расширение их применения.