Aplikasi Bioperubatan untuk Polimer Pintar

Meniru Daya Merangsang Polimer Semulajadi

Para saintis yang mengkaji polimer semulajadi yang terdapat dalam organisma hidup (protein, karbohidrat dan asid nukleat ) telah mempelajari bagaimana mereka berperilaku dalam biologi sistem semasa mereka melaksanakan peranan struktur dan fisiologi mereka. Maklumat itu digunakan untuk membangunkan bahan polimer buatan manusia yang sama dengan ciri-ciri tertentu dan keupayaan untuk bertindak balas kepada perubahan dalam persekitaran mereka.

Polimer sintetik ini berpotensi sangat berguna untuk pelbagai aplikasi termasuk beberapa yang berkaitan dengan bioteknologi dan bioperubatan.

Polimer pintar semakin menjadi semakin berleluasa kerana saintis mempelajari tentang kimia dan pencetus yang mendorong perubahan konformasi dalam struktur polimer dan merangka cara untuk mengambil kesempatan daripada dan mengawalnya. Bahan-bahan polimer baru sedang dirumuskan secara kimia bahawa perubahan alam sekitar secara spesifik dalam sistem biologi, dan menyesuaikan

dengan cara yang dapat diprediksi menjadikannya alat berguna untuk penghantaran ubat-ubatan atau mekanisme kawalan metabolik yang lain.

Polimer pintar

tidak linear adalah yang menjadikannya begitu unik dan berkesan. Perubahan ketara dalam struktur dan sifat boleh diinduksi oleh rangsangan yang sangat kecil . Sebaik sahaja perubahan itu berlaku, tidak ada perubahan lagi, yang bermaksud tindak balas semua-atau-tidak dapat diramal, dengan keseragaman yang lengkap di seluruh polimer. Polimer pintar mungkin mengubah sifat penyesuaian, pelekatan atau sifat pengekalan air, disebabkan sedikit perubahan dalam pH, kekuatan ionik, suhu atau pemicu lain.

Faktor lain dalam keberkesanan polimer pintar terletak pada sifat polimer yang wujud secara umum. Kekuatan setiap tindak balas molekul terhadap perubahan rangsangan adalah komposit perubahan unit-unit monomer individu yang, semata-mata, akan lemah.

Walau bagaimanapun, respons yang lemah ini, dikombinasikan

ratusan atau ribuan kali , mencipta kekuatan yang besar untuk memandu proses biologi. Klasifikasi dan Kimia

Pada masa ini, penggunaan yang paling lazim untuk polimer pintar dalam bioperubatan adalah untuk penyebaran dadah

khusus yang disasarkan . Sejak kedatangan ubat-ubatan yang dikeluarkan masa , saintis telah berhadapan dengan masalah mencari jalan untuk menyampaikan dadah ke tapak tertentu di dalam badan tanpa terlebih dahulu merendahkan persekitaran perut. Pencegahan kesan buruk kepada tulang dan tisu yang sihat juga merupakan pertimbangan yang penting. Penyelidik telah mencipta cara untuk menggunakan polimer pintar untuk mengawal pelepasan dadah sehingga sistem penghantaran telah mencapai sasaran yang dikehendaki. Pelepasan ini dikawal oleh pencetus kimia atau fisiologi. Linear dan matriks

polimer pintar wujud dengan pelbagai sifat bergantung kepada kumpulan fungsi reaktif dan rantai sampingan. Kumpulan ini mungkin responsif kepada pH, suhu, kekuatan ionik, medan elektrik atau medan magnet, dan cahaya. Sesetengah polimer terbalikkan silang oleh bon non-kovalen yang boleh memecah dan memperbaharui bergantung kepada keadaan luaran. Nanoteknologi telah menjadi asas dalam pembangunan polimer nanopartikel tertentu seperti dendrimers dan fullerenes, yang telah digunakan untuk penghantaran dadah. Pengkapsulan ubat tradisional telah dilakukan menggunakan polimer asid laktik. Perkembangan yang lebih baru telah menyaksikan pembentukan matriks seperti kekisi yang memegang ubat kepentingan yang terintegrasi atau terputus antara helai polimer. Matriks polimer pintar melepaskan ubat oleh tindak balas mengubah struktur kimia atau fisiologi, selalunya reaksi hidrolisis yang mengakibatkan pembelahan ikatan dan pembebasan dadah sebagai matriks merosot ke dalam komponen yang boleh terbiodegradasi. Penggunaan polimer semulajadi telah memberi jalan kepada polimer yang disintesis secara buatan seperti polyanhidronida, poliester, asid polyacrylic, poli (metil methacrylates), dan poliuretan. Polimer hidrofilik, amorf, dan molekul rendah yang mengandungi heteroatoms (i., Atom-atom selain karbon) didapati merosot dengan terpantas. Para saintis mengawal kadar penghantaran ubat dengan memvariasikan sifat-sifat ini dengan demikian menyesuaikan kadar degradasi.

Graft-and-block

copolymers terdiri daripada dua polimer yang berbeza dicampur bersama. Beberapa paten sudah wujud untuk kombinasi polimer yang berlainan dengan kumpulan reaktif yang berlainan. Produk mempamerkan sifat-sifat kedua-dua komponen individu yang menambah dimensi baru ke struktur polimer pintar dan mungkin berguna untuk aplikasi tertentu. Pautan hidrofobik dan hidrofilik salib yang menghubungkannya dengan pembentukan struktur seperti micelle yang dapat membantu secara meluas penghantaran dadah melalui media berair sehingga keadaan di lokasi sasaran menyebabkan kerosakan serentak kedua-dua polimer.

Pendekatan graft-and-block mungkin berguna untuk menyelesaikan masalah yang dihadapi oleh penggunaan polimer bioadhesive umum, asid polyacrylic (PAAc). PAAc mematuhi permukaan mucosal tetapi akan membengkak dan menurunkan dengan cepat pada pH 7. 4, mengakibatkan pelepasan dadah cepat yang terputus dalam matriksnya. Gabungan PAAc dengan polimer lain yang kurang sensitif terhadap perubahan pada pH neutral mungkin meningkatkan masa kediaman dan melambatkan pembebasan dadah, sehingga meningkatkan bioavailabiliti dan keberkesanan. Hydrogels

adalah rangkaian polimer yang tidak larut dalam air tetapi

membengkak atau runtuh dalam mengubah persekitaran berair. Mereka berguna dalam bioteknologi untuk pemisahan fasa kerana ia boleh diguna semula atau dikitar semula. Cara baru untuk mengawal aliran, atau menangkap dan melepaskan sebatian sasaran, dalam hidrogel, sedang disiasat. Hidrogel yang sangat khusus telah dibangunkan untuk penghantaran dan pengeluaran ubat-ubatan ke dalam tisu-tisu tertentu. Hidrogel yang diperbuat daripada PAAc amat biasa kerana sifat bioadhesive mereka dan penyerapan yang luar biasa. Imobilisasi enzim dalam hydrogels adalah proses yang cukup mantap. Rangkaian polimer berkait rapat dan hidrogel boleh digunakan sama seperti sistem biologi di mana tindak balas dan pembebasan ubat dipicu oleh molekul sasaran itu sendiri.

Sebagai alternatif, tindak balas mungkin dihidupkan atau dimatikan oleh hasil tindak balas enzim. Ini sering dilakukan dengan memasukkan enzim, reseptor atau antibodi, yang mengikat molekul kepentingan, ke dalam hydrogel. Setelah terikat, reaksi kimia berlaku yang mencetuskan tindak balas dari hydrogel. Pencetus boleh menjadi oksigen, dirasakan menggunakan enzim oksidoreductase, atau tindak balas pH-sensing. Satu contoh yang terkemudian itu adalah gabungan jerawat oksidase glukosa dan insulin dalam hydrogel pH-responsif. Di hadapan glukosa, pembentukan asid gluconic oleh enzim mencetuskan pelepasan insulin dari hidrogel.

Dua kriteria untuk teknologi ini berfungsi dengan berkesan ialah

kestabilan enzim

dan kinetika pantas (tindak balas cepat kepada pemicu dan pemulihan selepas pemecatan pencetus). Beberapa strategi telah diuji dalam penyelidikan diabetes jenis 1, yang melibatkan penggunaan sejenis polimer pintar yang dapat mengesan perubahan paras glukosa darah dan mencetuskan pengeluaran atau pembebasan insulin. Begitu juga, terdapat banyak kemungkinan penggunaan hidrogel yang sama sebagai ejen penghantaran dadah untuk keadaan dan penyakit lain. Polimer pintar bukan hanya untuk penghantaran dadah. Ciri-ciri mereka menjadikan mereka sangat sesuai untuk bioseparasi

. Masa dan kos yang terlibat dalam menulenkan protein mungkin dikurangkan dengan ketara dengan menggunakan polimer pintar yang mengalami perubahan pantas yang berubah sebagai tindak balas terhadap perubahan dalam sifat sederhana. Sistem konjugasi telah digunakan selama bertahun-tahun dalam pemisahan fizikal dan pertalian dan immunoassays. Perubahan mikroskopik dalam struktur polimer dinyatakan sebagai pembentukan mendakan, yang boleh digunakan untuk membantu pemisahan protein terjebak dari larutan. Sistem ini berfungsi apabila protein atau molekul lain yang akan dipisahkan daripada campuran, membentuk biokonjugat dengan polimer dan mendakan dengan polimer apabila persekitarannya mengalami perubahan. Endapan dikeluarkan dari media, dengan itu memisahkan komponen konjugasi yang diingini dari sisa campuran. Pembuangan komponen ini dari konjugat bergantung kepada pemulihan polimer dan kembali kepada keadaan asalnya, oleh itu hydrogels sangat berguna untuk proses sedemikian.

Pendekatan lain untuk mengawal tindak balas biologi menggunakan polimer pintar adalah untuk menyediakan protein rekombinan dengan tapak pengikat polimer terbina dalam berdekatan dengan tapak likat atau sel mengikat. Teknik ini telah digunakan untuk mengawal aktiviti ligan dan sel mengikat, berdasarkan pelbagai pencetus termasuk suhu dan cahaya.

Aplikasi Masa Depan

Telah dicadangkan bahawa polimer mungkin dibangunkan yang boleh

belajar dan tingkah laku yang betul

dari masa ke masa.Walaupun ini mungkin satu kemungkinan yang jauh, terdapat aplikasi lain yang lebih layak yang kelihatan akan datang dalam masa terdekat. Salah satu daripada ini adalah idea toilet pintar yang menganalisis air kencing dan membantu mengenal pasti masalah kesihatan. Dalam bioteknologi alam sekitar, sistem pengairan pintar juga telah dicadangkan. Ia amat berguna untuk mempunyai sistem yang menghidupkan dan mematikan, dan mengawal kepekatan baja, berdasarkan kelembapan tanah, pH dan tahap nutrien. Banyak pendekatan kreatif untuk sistem penyampaian dadah yang disasarkan yang mengatur sendiri berdasarkan persekitaran selular unik mereka juga sedang disiasat. Terdapat masalah yang jelas yang mungkin berkaitan dengan penggunaan polimer pintar dalam bioperubatan. Yang paling membimbangkan ialah kemungkinan ketoksikan atau ketidakcocokan bahan buatan dalam badan, termasuk produk dan produk sampingan. Walau bagaimanapun, polimer pintar mempunyai potensi besar dalam bioteknologi dan aplikasi bioperubatan jika halangan ini dapat diatasi. Sumber

_{Yuk SH et al. pH / Suhu-Polymer Responsif yang terdiri daripada Poli - ((N, N-dimethylamino) ethyl methancrylate-co-ethylacrylamide). Macromolecules 30 (22) 1997: 6856-6859.}

Patil NV. Polimer pintar berada di Masa Depan Biotek. Bioproses Antarabangsa 4 (8) 2006: 42-46.

Stayton PS, Ding Z, Hoffman AS. Polymer-Streptavidin Conjugates. Kaedah Mol. Biol. 283 2004: 37-44.

Varshosaz J. Sistem Penyampaian Insulin untuk Mengendalikan Diabetes. Paten Terkini mengenai Endokrin, Penemuan Obat Metabolik dan Imun. 1 2007: 25-40.