Mga Hydrogels at Ang kanilang mga Kakayahang Makatipid sa Buhay

Maligayang pagdating sa mundo ng hydrogels - mga nano-sized na materyales na maaaring makaapekto sa bilyun-bilyon sa buong mundo!

Dahil kami ay mga bata, kami ay itinuro na ang mga bagay ay umiiral sa tatlong estado: solid, likido at gas. Ngunit ang kalikasan ay sa katunayan mas masalimuot kaysa doon, kung saan umiiral ang ilang mga materyales sa pagitan ng mga estado. Halimbawa, isipin ang gelatin, ang sangkap na gumagawa ng mga dessert. Hindi ito solid o likido o gas; ito ay isang hydrogel!

Ang mga hydrogen ay hindi matutunaw sa tubig, naka-crosslink, three-dimensional na network ng mga polymer chain, kasama ang tubig na pinupuno ang mga voids sa pagitan ng mga polymer chain. Ang cross-link sa pagitan ng mga polymer chain ay nagdaragdag sa mekanikal na lakas at pisikal na integridad ng istraktura. Ang mga hydrogen ay lubos na sumisipsip, na naglalaman ng hindi bababa sa 90% ng tubig. Iyon ay kahit na isang mas mataas na porsyento ng tubig na maaaring mapanatili ng katawan ng tao!

Bukod dito, ang hydrogel ay isang madaling na-program na materyal, nangangahulugang maaari tayong magdisenyo ng mga reaksyon ng kemikal upang pagsamahin ang hydrogel sa iba pang mga molekula para sa isang tiyak na layunin.

Mula noong 1960s, inisip ng mga siyentipiko ang hydrogel bilang isang nangangako na kandidato para sa permanenteng aplikasyon ng pakikipag-ugnay, mga permanenteng itinanim sa katawan nang walang pagtanggi mula sa immune system ng katawan.

Narito ang pinalamig na bahagi: Ang mga hydrogen ay mga matalinong materyales! Binago nila ang ilang mga pag-aari, tulad ng hugis, bilang tugon sa iba't ibang mga pagbabago sa kapaligiran. Ang ilang mga karaniwang stimuli para sa matalinong hydrogels sa biological application ay pH, temperatura at lakas ng ionic. Pinapayagan nito ang mga hydrogels na maging perpektong kandidato kapag pumapasok sa naisalokal na kapaligiran ng katawan. Maaari rin nating baguhin ang panlabas na kapaligiran mula sa labas upang manipulahin ang aktibidad ng hydrogel sa loob ng katawan.

Ano ang gumagawa ng mga hydrogels na "matalino"?

Mayroong maraming mga functional na grupo na nakadikit sa backbone ng polimer, isang kilalang halimbawa na mga grupo ng carboxylic acid, o RCOOH. Kapag ang isang grupo ng acid na carboxylic acid ay idinagdag sa tubig, ang hydrogen ng pangkat ng acid ay maaaring mag-dissociate. Ang resulta ay isang carboxylate ion (RCOO-) na may negatibong singil at hydrogen ion (H +). Kung ang kapaligiran ay pinapaboran ang pagkakaiba-iba ng hydrogen, kung gayon ang chain ng polimer ay maraming negatibong singil kasama ang gulugod. Ang mga negatibong singil ng mga kadena ng polimer ay nagtatapon sa bawat isa, na nagiging sanhi ng hydrogel na mag-alis (magbukas). Ang mga negatibong singil din ay nagdaragdag ng pag-akit ng polimer sa tubig sa pamamagitan ng pag-akit ng positibong hydrogen dipole ng tubig.

Gayundin, ang reaksyon ng RCOOH sa RCOO- ay mababalik, at ang kapaligiran ng kemikal ay tutukoy kung ang pasulong na reaksyon ay nangyayari. Dahil ang polong gulugod ay kailangang maging mas negatibong kamag-anak sa mga molekulang kemikal sa kapaligiran nito, ang isang H + mayaman / acidic (mababang pH) na kapaligiran ay papabor sa isang ROOH - o neutral - gulugod. Sa kabilang banda, mas maraming alkali (mas mataas na pH) ang pumapabor sa isang negatibong singil. Boom, ito ay isang halimbawa kung paano ang isang maliit na pagbabago sa antas ng pH ay maaaring kapansin-pansing nakakaimpluwensya sa antas ng pamamaga ng mga hydrogels!

Paghahatid ng Gamot

Ang isa sa mga pinaka kapana-panabik na mga aplikasyon ng klinikal na nasubok ay sa paghahatid ng gamot. Ang mga taong may type 1 diabetes ay kailangang patuloy na mag-iniksyon ng kanilang sarili sa insulin upang makontrol ang kanilang mga antas ng asukal sa dugo.

Ang mga hydrogen ay makakatulong sa mga pasyente na ibigay ang pangangailangan na iyon. Sa katunayan, ang mga mananaliksik ay gumagamit ng poly (β-amino ester) (PAE) upang synthesize ang mga hydrogels na maaaring mai-injected sa ilalim ng balat, na lumilikha ng isang deposito ng insulin sa katawan. Ang insulin ay natural na nagkakalat mula sa kapaligiran na may mas mataas na konsentrasyon ng insulin upang mas mababa ang konsentrasyon ng insulin, na humahantong sa mabagal na pagpapakawala ng hormon mula sa interior ng hydrogel papunta sa daloy ng dugo.

Sa ganitong paraan, maraming mga iniksyon ng insulin ay maaaring mapalitan ng isang solong hydrogel injection!

Sariwang Dugo para sa Nasira Tissues

Hindi lamang maaaring ang mga hydrogels ay maaaring mapalitan ang mga pag-shot ng insulin, ito ay isang pangako na alternatibo sa mga gamot na pagpapagaan ng dugo at angioplasty at bypass surgery - kasalukuyang mga pamamaraan ng paggamot para sa ischemia.

Isang demonstrasyon ng cerebral ischemia - isang uri ng stroke na nangyayari kapag ang daloy ng dugo sa utak ay nakagambala

Ang Ischemia ay isang malubhang kondisyon sa medikal kung saan ang daloy ng dugo at paghahatid ng oxygen sa mga tisyu ay pinigilan, kaya nagreresulta sa sakit, kahinaan, at mas seryoso, pinsala sa tisyu at organ. Kapag nangyayari sa kalamnan tissue, lalo na sa anyo ng atherosclerosis, ang ischemia ay maaaring magresulta sa mga nakamamatay na sakit tulad ng coronary artery disease at stroke - na kasalukuyang nangungunang sanhi ng kamatayan ayon sa World Health Organization.

Nahanap ng mga siyentipiko ang isang napaka-kagiliw-giliw na diskarte sa pagpapagamot ng ischemia: Lumalagong mga bagong daluyan ng dugo upang madagdagan ang daloy ng dugo sa site ng ischemic sa pamamagitan ng paghahatid ng angiogenic na mga kadahilanan ng paglago tulad ng Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) at Insulin-tulad ng Growth Factor-1 (IGF) !

Matapos ma-infact sa VEGF at IGF, ang mga alginate hydrogels ay maaaring maihatid sa katawan gamit ang microneedles.

Ang binago na peptide hydrogel na humahantong sa pagbuo ng mga bagong daluyan ng dugo. (Chen et. Al (2015). Laminin mimetic peptide SIKVAV-chitosan hydrogel na nagtataguyod ng pagpapagaling ng sugat sa pamamagitan ng pagpapahusay ngiogenesis, re-epithelialization at pag-aalis ng collagen. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Karaniwang pinagsama-sama sa isang malaking bilang, ang mga microneedles ay idinisenyo upang mailapat sa balat tulad ng isang patch. Kapag pinindot sa balat ng balat, ang mga karayom ​​ay maaaring tumawid sa pinakadulo na pang-ibabaw ng balat ("stratum corneum") na pagkatapos ay lumilikha ng mga mikroskopiko na mga pores, na pinapayagan ang mga kadahilanan ng paglago na pumasok sa katawan at pasiglahin ang paglaki ng mga bagong daluyan ng dugo nang walang dahilan anumang pinsala sa umiiral na.

Isang demonstrasyon ng microneedles na nagpapalabas ng mga kemikal

Pagpatay ng mga Superbugs

Ang mga mananaliksik mula sa Institute of Bioengineering at Nanotechnology (IBN) at IBM Research ay nagpaunlad ng kauna-unahan na antimicrobial hydrogel na maaaring maghiwalay ng mga biofilms at sirain ang mga superbugs na lumalaban sa multidrug sa pakikipag-ugnay gamit ang hydrogels noong 2013. At ito ay tunay na kamangha-manghang!

Mga normal na cells ng Acinetobacter baumannii bacteria bago (kaliwa) at pagkatapos (kanan) na paggamot kasama ang mga polymers [Credit: Institute of Bioengineering at Nanotechnology]

Mayroong isang napapailalim na pangunahing problema sa paraan ng paggamot sa mga bakterya ngayon: ang mga antibiotics ay sila ay isang sledgehammer na maubos at sinisira ang gat microbial community.

Ang talagang mahalaga na maunawaan ay kung patuloy tayong gumagamit ng mga antibiotics hanggang 2050, 10 milyong tao ang mamamatay bawat taon dahil sa mga impeksyong bakterya. Iyon ay mas maraming pagkamatay kaysa sa lahat ng mga uri ng mga kanser na pinagsama.

Ang mga hydrogen ay maaaring mai-load sa mga nanoparticle ng metal bilang isang bagong paraan upang labanan laban sa mga mikrobyo. Halimbawa, ang Ag + na inilabas mula sa Ag nanoparticles ay nakikipag-ugnay sa cysteine ​​sa ilang mga rehiyon ng mga protina sa mga lamad ng bakterya, na nagiging sanhi ng pagkawala ng K + mula sa loob at ang pagkagambala ng mga cellular transport system, na sa wakas ay humahantong sa pagkamatay ng cell sa bakterya.

Ang isang diagram ng apat na hakbang na pagpatay na mekanismo ng polimer laban sa superbugs na lumalaban sa droga (Hakbang 1) Ang pagbubuklod ng positibong sisingilin na polimer sa bakterya na selula ng bakterya, (Hakbang 2) Ang pag-neutralize ng positibong singil ng polimer upang makapasok sa bacterial cell lamad , (Hakbang 3) Ang pagtusok sa bakterya na cyotoplasm, isang likido na pumupuno sa cell, at (Hakbang 4) Pinapabagsak ang mga sangkap na cytoplasmic upang patayin ang bakterya. (Credit: Institute of Bioengineering at Nanotechnology)

Ang iba pang mga pag-aaral ay nagpakita rin na ang Ag + ay nakikipag-ugnay sa mga protina ng cell wall at plasma lamad ng bakterya. Ang pagsasama-sama ng Ag + sa negatibong sisingilin ng lamad perforates ang lamad, kaya pinahihintulutan ang mga nilalaman ng cytoplasmic na dumaloy sa labas ng cell, na natatanggal ang H + gradient sa buong lamad at kung minsan ay nagiging sanhi ng kamatayan ng cell.

Sa maraming nalalaman at maaaring ma-program na kalikasan, ang mga hydrogels ay isa sa pinakasimpleng pa nakakaintriga at makapangyarihang mga materyales sa ating mundo ngayon!

Bago ka umalis,

Ipalakpak ang artikulong ito kung may natutunan kang bago.
Ibahagi sa mga kasamahan, pamilya at mga kaibigan!
Sundin ang aking daluyan na pahina upang manatiling mai-update sa aking pakikipagsapalaran sa Nanotechnology, Genetic Engineering, Aging at Machine Learning!