Applicazioni biomediche per polimeri intelligenti

mentre svolgono i loro ruoli strutturali e fisiologici. Queste informazioni vengono messe in uso per sviluppare simili sostanze polimeriche artificiali con proprietà specifiche e capacità di rispondere alle modifiche nel loro ambiente.

Questi polimeri sintetici sono potenzialmente molto utili per una varietà di applicazioni tra cui alcune relative alla biotecnologia e alla biomedicina.

I polimeri intelligenti stanno diventando sempre più prevalenti, poiché gli scienziati conoscono la chimica e gli agenti che inducono i cambiamenti conformazionali nelle strutture polimeriche e creano modi per sfruttarli e controllarli. Nuovi materiali polimerici vengono formulati chimicamente che sensano i cambiamenti ambientali specifici nei sistemi biologici e regolano in modo prevedibile rendendoli strumenti utili per la somministrazione di farmaci o altri meccanismi di controllo metabolico.

La risposta

non lineare di polimeri intelligenti è ciò che li rende così unici ed efficaci. Una variazione significativa della struttura e delle proprietà può essere indotta da un stimolo molto piccolo . Una volta che si verifica tale cambiamento, non vi è alcuna ulteriore variazione, cioè una risposta prevedibile o totale, con completa uniformità in tutto il polimero. I polimeri intelligenti possono modificare la conformazione, l'adesività o le proprietà di ritenzione idrica, a causa di lievi variazioni di pH, resistenza ionica, temperatura o altri trigger.

Un altro fattore nell'efficacia di polimeri intelligenti risiede nella natura intrinseca dei polimeri in generale. La forza della risposta di ciascuna molecola ai cambiamenti negli stimoli è il composto dei cambiamenti delle unità monomeri individuali che, da solo, sarebbero deboli.

Tuttavia, queste risposte deboli, combinate

centinaia o migliaia di volte , creano una forza considerevole per guidare i processi biologici. Classificazione e Chimica

Attualmente, l'uso più diffuso per i polimeri intelligenti in biomedicina è per

la consegna specifica di farmaci . Dall'avvento dei farmaci a rilascio temporizzato , gli scienziati sono stati affrontati con il problema di trovare modi per trasportare farmaci in un determinato sito del corpo senza dover deglutire prima nel acido ambiente dello stomaco. La prevenzione degli effetti negativi per l'osso e il tessuto sani è anche una considerazione importante. I ricercatori hanno elaborato modi per utilizzare polimeri intelligenti per controllare il rilascio di farmaci finché il sistema di consegna non ha raggiunto il target desiderato. Questo rilascio è controllato da un trigger chimico o fisiologico. Lineare e matrice esistono polimeri intelligenti con una varietà di proprietà a seconda dei gruppi funzionali reattivi e delle catene laterali. Questi gruppi potrebbero essere sensibili a pH, temperatura, forza ionica, campi elettrici o magnetici e luce. Alcuni polimeri sono reversibilmente incrociati da legami non-covalenti che possono rompersi e riformare a seconda delle condizioni esterne. La nanotecnologia è stata fondamentale nello sviluppo di alcuni polimeri di nanoparticelle come dendrimeri e fullereni, che sono stati applicati per la somministrazione di farmaci.

L'incapsulamento farmacologico tradizionale è stato fatto utilizzando polimeri dell'acido lattico. Gli sviluppi più recenti hanno visto la formazione di matrici a reticolo che contengono la droga di interesse integrata o intrappolata tra i fili di polimero. Le matrici polimeriche intelligenti rilasciano farmaci da una reazione chimica o fisiologica che altera la struttura, spesso una reazione di idrolisi che determina la scissione dei legami e il rilascio del farmaco in quanto la matrice si rompe in componenti biodegradabili. L'uso di polimeri naturali ha dato luogo a polimeri sintetizzati artificialmente come polianidridi, poliesteri, acidi poliacrilici, poli (metacrilato) e poliuretani. I polimeri idrofili, amorfi, a basso peso molecolare contenenti eteroatomi (cioè atomi diversi dal carbonio) sono stati scoperti per degradarsi più velocemente. Gli scienziati controllano il tasso di consegna di farmaci variando queste proprietà adattando così il tasso di degradazione.

Gli innesto e il blocco

copolimeri sono costituiti da due diversi polimeri innestati insieme. Esistono già numerosi brevetti per diverse combinazioni di polimeri con diversi gruppi reattivi. Il prodotto presenta proprietà di entrambi i singoli componenti che aggiungono una nuova dimensione ad una struttura polimerica intelligente e possono essere utili per alcune applicazioni. I polimeri idrofobici e idrofili che incrociano il collegamento producono la formazione di strutture simili a micelle che possono proteggere in modo sostenibile la somministrazione di farmaci attraverso il mezzo acquoso fino a quando le condizioni nella zona di destinazione non causano la rottura simultanea di entrambi i polimeri.

Un approccio graft-and-block potrebbe essere utile per risolvere i problemi incontrati dall'impiego di un comune polimero bioadattivo, acido poliacrilico (PAAc). PAAc aderisce alle superfici mucose, ma si gonfia e degrada rapidamente al pH 7,4, con conseguente rilascio rapido di farmaci intrappolati nella sua matrice. Una combinazione di PAAc con un altro polimero meno sensibile ai cambiamenti a pH neutro potrebbe aumentare il tempo di permanenza e rallentare il rilascio del farmaco, migliorando così la biodisponibilità e l'efficacia. Gli idrogeli

sono reti di polimero che non si dissolvono in acqua ma

gonfiano o collassano nel mutare ambienti acquosi. Sono utili nella biotecnologia per la separazione di fase perché sono riutilizzabili o riciclabili. Nuovi modi per controllare il flusso, o catturare e rilasciare i composti bersaglio, in idrogeli, sono in fase di studio. Sono stati sviluppati idrogeli altamente specializzati per la consegna e il rilascio di farmaci in tessuti specifici. Gli idrogelici realizzati con PAAc sono particolarmente comuni a causa delle loro proprietà bioadhezive e della assolutabilità assoluta. L'immobilizzazione enzimatica in idrogeli è un processo abbastanza ben consolidato. Le reti e gli idrogeli di polimeri reticolati inversamente collegati possono essere applicati allo stesso modo ad un sistema biologico in cui la risposta e il rilascio di un farmaco sono innescati dalla molecola bersaglio stessa.

In alternativa, la risposta può essere attivata o disattivata dal prodotto di una reazione enzimatica. Questo è spesso fatto incorporando un enzima, un recettore o un anticorpo, che si lega alla molecola di interesse, nell'idrogel. Una volta legata, si verifica una reazione chimica che innesca una reazione dall'idrogel. Il grilletto può essere ossigeno, sensato con enzimi ossidoreductasi, o una risposta al sensore di pH. Un esempio di quest'ultimo è l'abbinamento combinato di glucosio ossidasi e insulina in un idrogel reagente al pH. In presenza di glucosio, la formazione di acido gluconico da parte dell'enzima innesca il rilascio di insulina dall'idrogel.

Due criteri per questa tecnologia per funzionare in modo efficace sono la stabilità degli enzimi

e

la rapida cinetica (risposta rapida al grilletto e recupero dopo la rimozione del grilletto). Diverse strategie sono state sperimentate nella ricerca sul diabete di tipo 1, coinvolgendo l'uso di simili tipi di polimeri intelligenti in grado di rilevare i cambiamenti nei livelli di glucosio nel sangue e di innescare la produzione o il rilascio di insulina. Allo stesso modo, ci sono molte possibili applicazioni di idrogeli simili come agenti di erogazione di farmaci per altre condizioni e malattie. Polimeri intelligenti non sono solo per la consegna di farmaci. Le loro proprietà li rendono particolarmente adatti per bioseparazioni .

I tempi e i costi relativi alla purificazione delle proteine ​​potrebbero essere ridotti significativamente utilizzando polimeri intelligenti che subiscono rapidi cambiamenti reversibili in risposta a un cambiamento delle proprietà del mezzo. I sistemi coniugati sono stati utilizzati per molti anni in separazioni fisiche e affinità e immunoassays. I cambiamenti microscopici nella struttura del polimero si manifestano come formazione di precipitazioni, che possono essere utilizzati per aiutare la separazione delle proteine ​​intrappolate dalla soluzione. Questi sistemi funzionano quando una proteina o un'altra molecola che deve essere separata da un mix, forma un bioconjugato con il polimero e precipita con il polimero quando il suo ambiente subisce un cambiamento. Il precipitato viene rimosso dal supporto, separando così il componente desiderato del coniugato dal resto della miscela. La rimozione di questo componente dal coniugato dipende dal recupero del polimero e dal ritorno allo stato originale, per cui gli idrogeli sono molto utili per tali processi. Un altro approccio al controllo delle reazioni biologiche utilizzando polimeri intelligenti è quello di preparare proteine ​​ricombinanti con siti di legame di polimeri incorporati vicino a siti di legame o legame cellulare. Questa tecnica è stata utilizzata per controllare l'attività legante e legante delle cellule, basata su una varietà di trigger inclusi temperatura e luce.

Applicazioni future

È stato suggerito che potrebbero essere sviluppati dei polimeri che possono

imparare e correggere il comportamento

nel tempo.Anche se questa potrebbe essere una possibilità lontana, ci sono altre applicazioni più fattibili che sembrano arrivare nel prossimo futuro. Uno di questi è l'idea di toilettes intelligenti che analizzano l'urina e aiutano a individuare i problemi di salute. Nella biotecnologia ambientale sono stati proposti sistemi di irrigazione intelligenti. Sarebbe incredibilmente utile avere un sistema che si accenda e spegne e controlla le concentrazioni di fertilizzanti, basandosi sull'umidità del suolo, sul pH e sui livelli di nutrienti. Sono inoltre in fase di studio molti approcci creativi a sistemi mirati di erogazione di farmaci che regolano autonomamente in base al loro ambiente cellulare unico.

Ci sono evidenti possibili problemi associati all'uso di polimeri intelligenti nella biomedicina. La più preoccupante è la possibilità di tossicità o incompatibilità di sostanze artificiali nel corpo, inclusi prodotti di degradazione e sottoprodotti. Tuttavia, i polimeri intelligenti hanno un enorme potenziale nelle applicazioni biotecnologiche e biomediche se questi ostacoli possono essere superati. Fonti

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