Polimery inteligentne w medycynie

Polimery inteligentne w medycynie

Wywiad z dr. hab. Andrzejem S. Swinarew, prof. Uniwersytetu Śląskiego.

Panie profesorze, czym dokładnie są polimery inteligentne?

''Inteligentne'' polimery można zdefiniować jako te, które reagują dużymi zmianami właściwości na małe bodźce fizyczne lub chemiczne. Modyfikacje te mogą mieć różne formy i zachodzić w roztworze, na powierzchni lub w ciele stałym. Można także łączyć inteligentne wodne systemy polimerowe z biocząsteczkami, aby uzyskać dużą rodzinę polimerów, które inteligentnie reagują. 

Pojęcie inteligentnych materiałów zostało po raz pierwszy zastosowane w przypadku stopów metali pod koniec lat 30-tych XX w., praktycznie zademonstrowane ok. 10 lat później, a wykorzystane komercyjnie w 1965 r. Dopiero w połowie lat 70-tych XX w. rozpoczęto systematyczne badania nad inteligentnymi żelami polimerowymi. Inteligentne materiały włókniste po raz pierwszy opatentowano w Japonii, dla przędzy jedwabnej z pamięcią kształtu oraz dla tkanin termochromowych, które zmieniały kolor wraz ze zmianą temperatury. 

W ostatnich latach materiały reagujące na bodźce i wrażliwe na różne wyzwalacze, zwane również materiałami inteligentnymi, stanowiły wyzwanie dla naukowców - zwłaszcza w projektowaniu ukierunkowanych biomateriałów do określonych zastosowań. Zainteresowanie inteligentnymi polimerami zwiększyło się przy opracowywaniu szerokiej gamy interesujących biomateriałów: kontrolowanych systemów dostarczania leków DDS, diagnostyki i terapii różnego typu schorzeń (w tym raka), rusztowań inżynierii tkankowej, czujników i siłowników, urządzeń do bioseparacji itp. Polimery te mogą podlegać szybkim i odwracalnym modyfikacjom fizycznym lub chemicznym, takim jak reakcja na działanie bodźców zewnętrznych lub wewnętrznych: temperatura, światło, pole magnetyczne lub elektryczne, ultradźwięki, pH, procesy redoks lub obecność niektórych biocząsteczek (glukozy, enzymów). Podjęto wiele wysiłków, aby zapewnić specyficzność, biokompatybilność, biodegradowalność i wysoką skuteczność takich inteligentnych biomateriałów w celu poprawy jakości ich życia. W nanomedycynie jednym z celów jest opracowanie inteligentnych materiałów, które replikują i naśladują zdolność tkanek oraz materiałów biologicznych do adaptacji i odnowy.

Czy medycyna i aplikacje medyczne są realnym rynkiem zastosowania polimerów inteligentnych?

Oczywiście, coraz większe wysiłki wkładane są w rozwój nowych materiałów zawierających fosfor i/lub azot, możliwych do wykorzystania w zastosowaniach biomedycznych. Atrakcyjne właściwości posiadają np. polifosfoestry (biodegradowalny szkielet, rozpuszczalność w wodzie, zdolność do derywatyzacji strukturalnej atomu fosforu itp.). Główny obszar zainteresowań w zakresie stosowania polifosfoestrów to m.in. DDS, czyli dostarczanie genów, hydrożelowe opatrunki na rany skórne, a także wykorzystanie w inżynierii komórkowej i tkankowej. Dużo pracy wkłada się również w hydrożele poli(alkoholu winylowego) - fosfoestru i siarczanu chondroityny. Należy też zwrócić uwagę na rosnące zainteresowanie nanowłóknistymi membranami poliimidowymi otrzymywanymi metodą elektroprzędzenia, jak również wytwarzaniem nanocząstek złota/nanowłókien poliimidowych tą samą interesującą techniką alternatywną. Kompozyty nanocząstek złota/nanowłókien poliimidowych zbadano pod kątem ich aktywności biologicznej i potencjalnych zastosowań biomedycznych. W związku z tym cytotoksyczność przygotowanych nanokompozytów została oszacowana przy użyciu linii komórkowych preosteoblastów. Uzyskane wyniki zalecają te nanokompozyty ze złota i poliimidu do zastosowań biomedycznych jako powłoki przeciwbakteryjne.

Warte wspomnienia są także mikro- i nanocząstki oparte na polisacharydach wrażliwych na pH i temperaturę, jako ważne narzędzia kontrolowanego dostarczania leków. Układy w postaci cząstek przygotowuje się z natywnych polisacharydów wrażliwych na pH, takich jak kwas alginowy, kwas hialuronowy, pektyna (grupy karboksylowe) i chitozan (grupy aminowe). Co godne uwagi, polisacharydy które nie zawierają tych grup mogą stać się wrażliwe na pH w wyniku chemicznych modyfikacji obfitych grup hydroksylowych (karboksymetylacja, sukcyloilacja i szczepienie polimerów wrażliwych na pH). 

Ponieważ natywne polisacharydy same w sobie wykazują bardzo ograniczoną wrażliwość na temperaturę, opisano wstawianie termoczułych polimerów do polisacharydów. Najważniejszymi polimerami, które są w stanie wywołać wrażliwość termiczną polisacharydów, są poli(N-izopropyloakryloamid), poloksamer, poliwinylokaprolaktam i poli(l-laktyd). W wielu pracach opisywane są transformacje natywnych i modyfikowanych polisacharydów w mikro- lub nanocząstki przy użyciu wielu metod, takich jak sieciowanie zawiesiny, żelowanie jonowe, samoorganizacja, dializa i nanoprecypitacja, odparowywanie/usuwanie rozpuszczalników itp. Te nośniki w postaci cząstek są w stanie transportować duże ilości leków w żądane miejsce i uwalniać je z odpowiednią szybkością, gdy zmienia się pH i/lub temperatura.