ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Умные полимеры в медицине 20-х
© blog.magrabi.com
Специализированные полимеры, меняющие свойства при слабом внешнем воздействии, — основной тренд медицины будущего
56
Июль-август 2021 The Chemical Journal
© Vetigel
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Биотехническая компания Suneris разработала гель Vetigel, способный почти мгновенно останавливать кровотечение. Vetigel придумал в 2015 году 17-летний студент Политехнического института Нью-Йоркского университета Джо Ландолина.
Доктор М. Анамул Хак
Татьяна Левада
В
течение последних 40 лет радикально изменилась основная проблематика при исследовании полимеров. Если до 80-х годов прошлого века полимеры рассматривались исключительно в роли конструкционных материалов — пластмассы, резины, волокна, пленки, клеи, то после 1980 года полимеры выполняют роль функциональных материалов — для оптики, имплантологии, проводящие, суперабсорбенты. Разделение на две названные категории условное и есть пересечение. Но в целом конструкционными счи таются материа лы, обеспечивающие целостность и несу щ у ю способность конст ру к ции, а все прочие специфические, ярко выраженные свойства относят полимеры к функциональным. Наконец, после 2000 года развитие получило новое направление — умные The Chemical Journal Июль-август 2021
полимеры, демонстрирующие различные свойства и соответственно выполняющие разные функции при изменении внешних условий. Суперабсорбенты, пленки для доставки лекарств, клеи для влажных сред, материалы для опреснения воды, электрохромные и электропроводящие полимеры, импланты — примеры полимеров нового класса. Умные полимеры обладают способностью активно реагировать на относительно слабое внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения, подаче электрического напряжения или изменении магнитного поля. Эти материалы реагируют даже на самое малое внешнее возмущение. Так, изменение в конформации полимерных цепочек, вызванное излучением, может привести к радикальной перестройке структуры полимера.
Именно на умные полимеры возлагают надежды медики в лечении заболеваний, ранее считавшихся неизлечимыми.
Микророботы и адресная доставка Наиболее популярное направление к 20-м годам текущего века — производство микророботов на основе мягких сред, или гидрогелей. С помощью излучения в них можно вызывать механические деформации микрообъектов — и таким образом двигать их в нужном направлении, например, в кровяном русле или токе лимфы. Так, полимер растворяется в воде при температуре ниже 31°C. Как только температура превышает 31°C, полимер претерпевает фазовое превращение, полимерные цепочки теряют свойство растворимости, наступает их коллапс, полимерная матрица резко сокращается, и объект начинает двигаться. 57
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Фотохромные линзы не только улучшают зрение, но и препятствуют проникновению солнечных лучей на сетчатку глаза. Как только действие ультрафиолета прекращается, линзы становятся прозрачными.
Воздействуя на микроконструкцию инфракрасными лазерными импульсами, можно заставить их «плыть» в нужную сторону. Именно с адресной доставкой лекарств связывают фармацевтику будущего. Помимо управляемого движения возможно управляемое высвобождение активного компонента. Для этого создаются многослойные микро- и нано-размерные пузыри, в которых под воздействием излучения происходит фазовый переход — оболочка раскрывается, и лекарство, находящееся внутри пузыря, высвобождается в органеили участке-мишени. 58
Таким образом планируется, в частно- Нью-Йоркского университета Джо Лансти, доставлять токсичные лекарствен- долина, которому на тот момент было ные препараты к раковым опухолям: 17 лет. чем точнее доставка, тем меньшая доза Гель представляет собой сеть независияда будет применена, и тем слабее по- мых полимеров. В момент нанесения на пораженный участок кожи они форбочные эффекты. мируют структуру, которая не только раГель, останавливающий ботает как пластырь, но и помогает организму вырабатывать фибрин. Именно кровотечение он отвечает за свертывание крови. Биотехническая компания Suneris Пока что VetiGel можно испольразработала гель Vetigel, способ- зовать только в ветеринарных целях. ный почти мгновенно останавливать В 2021 году завершаются клинические кровотечение. испытания препарата, в конце года буВ 2015 году Vetigel придумал сту- дет подана заявка в FDA для получения дент Политехнического института разрешения на применение в хирургии. Июль-август 2021 The Chemical Journal
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Профессор Дэвид Нисбет из Школы медицинских исследований Джона Кертина, участвующий в испытаниях гидрогеля. Болезнь Паркинсона можно будет лечить более эффективно с помощью нового гидрогеля, созданного в Австралийском национальном университете.
Первыми областями применения геля заявили о том, что в сотрудничестве станут реанимации или зоны бое- с Институтом неврологии и психического здоровья Флори был создан новых действий. Cейчас Vetigel можно купить на офици- вый тип гидрогеля, который призван радикально изменить лечение болезни альном сайте компании Cresilon за 35 $. Паркинсона и прочих неврологических Затемняющиеся линзы отклонений. Созданный в Австралии гидрогель доЕсли раньше технология фотохромных ставляет в мозг стволовые клетки, котополимеров использовалась только в очках, рые на месте превратятся в нейроны, и пото сейчас на рынок вышли умные кон- могает восстановить поврежденные ткани тактные линзы, чувствительные к свету. за счет высвобождения белка GDNF (глиФотохромные линзы не только улуч- ального нейротрофического фактора), шают зрение, но и препятствуют про- стимулирующего процессы роста. никновению солнечных лучей на сетСтволовые клетки и ранее применячатку глаза. Молекулы фотохромных лись в лечении последствий инсульта веществ, находящиеся в линзах, фик- и при других повреждениях головного сируют количество дневного света, по- мозга. Однако адресная доставка ствоступающего на линзу. ловых клеток в мозг была серьезной Под сильным действием ультрафио- проблемой. лета молекулы меняют свою структуру, Функция геля — защита чувствизатемняются и перестают пропускать тельных к стрессу стволовых клеток солнечный свет. Как только действие от внешних воздействий, что повышает ультрафиолета прекращается, структу- шансы на успешную интеграцию в ткара молекул вновь меняется и линзы ста- ни головного мозга. новятся прозрачными. Гель превращается в жидкость и ввоЛинзы активно фильтруют яркий дится очень тонкой иглой непосредсвет и теряют затемнение при сла- ственно в мозг. Там гель вновь затвербом освещении. девает, создавая поддерживающий каркас для стволовых клеток, которые Болезнь Паркинсона заменияют умершие вследствие болезни или травмы нейроны. Летом 2021 года исследователи из АвстраПри болезни Паркинсона стралийского национального университета д а ю т нейроны, выделяющие The Chemical Journal Июль-август 2021
дофамин — соединение, передающее сообщение между нервными клетками. Благодаря новому гидрогелю увеличивается выживаемость стволовых клеток и получающихся из них дофаминовых нейронов. Были проведены испытания in vivo на лабораторных мышах, страдающих от животной формы болезни Паркинсона. Инъекции позволили вернуть животным подвижность и улучшили их координацию. На сегодняшний день нет препаратов, обращающих течение болезни Паркинсона вспять. Однако есть средства, купирующие симптомы за счет повышения уровня дофамина в мозге. Подобные средства имеют серьезные побочные эффекты при длительном приеме: самопроизвольные движения, нарушения сна, возбуждение, головокружение. В то же время, стволовые клетки не провоцируют побочных реакций. Одной инъекции клеток хватает на несколько лет. Созданный гидрогель, теоретически, способен доставлять стволовые клетки в любую часть тела. Помимо универсальности, гидрогель отличается довольно низкой стоимостью и простотой производства, что открывает перед ним перспективы довольно быстрого внедрения в клиническую практику. 59