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智能聚合物的生物医学中的应用

作者:
baigoushengwu
发表于:
2013-04-05, 22:33
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智能聚合物——类似的刺激反应性的天然高分子

  科学家们研究的生物体中的天然聚合物(蛋白质,碳水化合物和核酸),他们已经学会了如何在生物系统中的行为,因为他们执行了它们的结构和生理作用。这些信息被用于开发类似的人造高分子物质具有特定的属性和响应环境变化的能力。这些合成的聚合物具有潜在的非常有用的,适用于各种应用,包括一些相关的生物技术和生物医学。

  智能聚合物正变得越来越普遍,因为科学家了解,导致聚合物结构的构象变化,并设法利用和控制他们的化学和触发器。新的聚合物材料的化学配方,感具体的环境在生物系统中的变化,并以一种可预测的方式进行调整使它们用于药物递送的有用的工具,或其他的代谢控制机制。

  是什么让他们如此独特而有效的智能聚合物的非线性响应。一个显着变化,结构和性能可以由一个非常小的刺激引起的。一旦发生改变,也没有进一步的变化,这意味着一个可预测的全或无响应时,与完全的均匀性在整个聚合物。智能聚合物可以改变构象,密合性或水保持性质,由于pH值的轻微变化,离子强度,温度或其它触发器。

  智能聚合物的有效性的另一个因素在于一般的聚合物的固有性质。每个分子的变化响应于刺激的强度是变化的单个单体单元,单独,将弱的复合物。但是,这些微弱的回应,再加几百或几千倍,创造了可观的力量驱动生物过程。

  分类和化学

  目前,用于智能聚合物在生物医学中使用最普遍的是有针对性的药物递送。定时发布药品自问世以来,科学家们一直面临的问题,寻找的方式来传递药物在体内的某个网站,而无需他们首先在高酸性胃环境中降解。预防健康的骨骼和组织的不利影响,也是一个重要的考虑因素。研究者们已经设计的方式使用智能聚合物来控制药物的释放,直到输送系统已经达到所期望的目标。这种释放被控制的化学或生理触发器。

  线性和基质存在智能聚合物与各种的属性,这取决于对反应性官能团的侧链。这些基团可能会对响应于pH值,温度,离子强度,电场或磁场,和轻。一些聚合物是可逆交联的非共价键,可以打破和改革取决于外部条件。纳米技术已经基本在发展某些如树枝状聚合物和富勒烯纳米粒子的聚合物,已被应用于药物传递。传统的药物包封已经做了使用乳酸聚合物。最近的发展已经看到有利益整合的药物或包埋在聚合物链之间形成格子状的矩阵。

  智能聚合物基质释放的药物,通过化学或生理结构改变的反应,往往导致裂解债券和释放药物,作为基质分解成可生物降解的组分的水解反应。的天然聚合物的使用已经让位给人工合成的聚合物,如聚酐,聚酯,聚丙烯酸,聚(甲基丙烯酸甲酯),和聚氨酯类。亲水性的,无定形的,含有杂原子(即碳以外的原子)的低分子量的聚合物已被发现降解最快。科学家控制药物释放的速率通过改变这些属性,从而调整的降解速率。

  接枝和嵌段共聚物,是由两种不同的聚合物接枝在一起。许多专利已经存在具有不同的反应性基团的聚合物的不同组合。该产品表现出到智能聚合物结构增加了一个新的维度的单独组件的属性,对于某些应用可能是有用的。的交联的疏水性和亲水性的聚合物形成胶束状的结构,可以保护协助药物输送通过在目标位置的原因同时细分两种聚合物的条件的水性介质中,直到结果。

  一种接枝和嵌段的方法可能会对用于解决问题的过程中遇到的一个共同的生物粘附聚合物,聚丙烯酸(PAAc水凝胶)的使用。的PAAC坚持在粘膜表面,但因此会发胀而迅速降解,在pH值7.4,从而在快速释放药物包埋在其网络矩阵。 PAAc水凝胶与另一种聚合物是在中性pH值的变化较不敏感的组合可能会增加的停留时间,并延缓药物的释放,从而提高了生物利用度和有效性。

  水凝胶是穿网络聚合物不溶于水,但在不断变化的水环境中的膨胀或崩溃。它们在生物技术领域的相分离是有用的,因为它们是可重复使用的或可循环。新的方式来控制流量,或者捕捉和发布的目标化合物,水凝胶,正在调查之中。高度专业化的水凝胶已经发展成特定的组织中的传递和释放药物。水凝胶由PAAC是特别常见的,因为他们的生物黏附性能和巨大的吸收能力。

  酶固定在水凝胶是一种相当成熟的过程。可逆交联的聚合物网络和水凝胶,可以类似地应用到由目标分子本身的响应和药物释放的被触发的系统,其中的生物。可替代地,响应可能会被打开或关闭由酶反应的产物。这通常是通过将酶,受体或抗体,结合到分子的利益,成水凝胶。一旦结合,发生化学反应,触发从水凝胶的反应。触发可以是氧,检测到的使用氧化还原酶的酶,或感测的pH响应。后者的一个例子是结合在pH敏感的水凝胶中的葡萄糖氧化酶和胰岛素的包封。在葡萄糖的存在下,通过酶的葡糖酸形成触发胰岛素从水凝胶中的释放。

  两个标准这种技术有效地工作是酶的稳定性和快速动力学(除去触发器的触发和恢复后的快速响应)。一些策略已经过测试,在1型糖尿病患者的研究中,使用相似类型的智能聚合物,可以检测血液中的血糖水平和触发生产或释放胰岛素的变化。同样,也有类似的水凝胶作为药物传递剂,其他条件和疾病的许多可能的应用。

  智能聚合物的不只是药物输送。他们的特性使其特别适合于生物分离。净化蛋白涉及的时间和成本,可能显着降低,通过使用智能的聚合物,在响应于介质的性质的变化进行快速可逆的变化。共轭系统已被使用了许多年,在物理和亲和力的分离和免疫测定。在聚合物结构中的微观的变化表现为沉淀物的形成,这可用于帮助被困的蛋白质从溶液中分离。

  这些系统的工作是从一个组合要被分离的蛋白质或其他分子的时候,形成了一个BIOCONJUGATE与聚合物,和析出物的聚合物时,其环境发生变更。除去沉淀物,从媒体,从而从该混合物的其余部分所希望组分的共轭物分离。这个组件从共轭体中的去除取决于回收的聚合物和一个返回到其原始状态,从而水凝胶是非常有用的,这样一些过程。

  控制使用智能聚合物的生物反应的另一种方法是内置聚合物密切的配位体或细胞的结合位点的结合位点以制备重组蛋白。这种技术已经被用于控制配位体和细胞结合的活性,是根据在一个不同的触发器,包括温度和光。

  未来的应用

  曾有人建议,聚合物可能被开发,可以学习和自正确的行为随着时间的推移。虽然这可能是一个遥远的可能性,还有其他更可行的应用程序,似乎是在不久的将来。其中之一是智能toilettes分析尿液和帮助找出健康问题的想法。在环境生物技术,智能灌溉系统也被提出。这将是非常有用的,有一个系统的开启和关闭,控制化肥的浓度,土壤水分,pH值和营养水平的基础上。许多创造性的方法,自我调节的基础上其独特的蜂窝周围的靶向给药系统,也正在调查中。

  有与智能聚合物在生物医学中的使用,可能存在的问题是显而易见的。最令人担忧的是人造物质在体内,包括降解产品和副产品的毒性或不兼容的可能性。但是,智能聚合物在生物技术和医学领域的应用具有巨大的潜力,如果这些障碍是可以克服的。

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