Умные полимеры (гидрогели )

Умный гидрогель

Среди водорастворимых полимеров и гидрогелей «умными» могут быть названы системы, которые обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды (pH, температура, ионная сила, присутствие определенных веществ, освещенность, электрическое поле) причем ответ системы легко заметить не вооружённым глазом (образование новой фазы в гомогенной системе до этого в растворе, резко набухание или сжатие гидрогеля. Что бы полимерная система стала «умной», т.е. способной сильно реагировать на не большие изменения внешней среды, в ней должен происходить фазовый переход первого рода, сопровождающимся резким увеличением удельного объема макромолекулы.

Полимерный гель представляет из себя набухающие длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями (сшившиеся) в единую пространственную сетку рис 1.

В настоящие время существуют два наиболее распространённых гидрогеля. Первый реагирует на изменение pH окружающей среды второй на изменения температуры.

Полимеры реагирующие на изменение pH окружающей среды. При взаимодействие полимера с водой происходит нейтрализация заряженной макромолекулы в результате изменения pH среды приводит к тому, что вода становиться плохим растворителем для нейтральной макромолекулы полимера.

Область применения «умных» полимеров (гидрогель )

1.Концентрирование белковых растворов и обезвоживание суспензии. При коллапсе гидрогель сжимается в объеме до 1000 раз. Их способность к поглощать до нескольких сот грамм воды на один грамм геля, а затем отдавать поглощенную воду после незначительного изменения условий используется в процессах обезвоживания суспензии и концентрирование белковых растворов.

2. Мембраны с регулируемой проницаемостью. Способность «умных» полимеров резко переходить из развернутой глобулы в компактный клубок использована для создания мембраны с контролируемой проницаемостью. В развёрнутой конфирмации полимерные молекулы, иммобилизованны на поверхности, не препятствуют проникновению растворенных веществ внутрь. В компактной комформации полимерные молекулы блокируют или сильно затрудняют доступ растворенных веществ внутри пор.

3. Лекарственные вещества уже давно стали помещать в полимерные матрицы, чтобы препарат медленно выделялся из носителя и оказывал благодаря этому пролонгированное действие. Гели, восприимчивые к рН, можно использовать не только для той же цели, но и для направленной доставки лекарства. Чтобы ввести его в гелевый носитель, достаточно поместить образец геля в раствор лекарственного вещества (в том числе и такого крупного, как белок), и оно окажется внутри полимерной матрицы. Затем гель высушивают (удаляют растворитель), и тогда он становится лекарственной формой. Если этот “контейнер” снова поместить в растворитель, лекарственное вещество будет выделяться, причем тем быстрее, чем больше степень набухания геля (т.е. чем сильнее раскрыты его поры). Так полимерная матрица контролирует скорость выделения лекарства. Но, кроме того, она может обеспечить его доставку непосредственно к тому участку организма, который нуждается в препарате. Создавая системы направленного транспорта лекарственных веществ, специалисты учитывают, что разные отделы пищеварительного тракта человека сильно различаются кислотностью. Например, в желудке кислая среда (рН 1.4), в кишечнике - близкая к нейтральной (рН 6.7-7.4). Чувствительный к рН гель с лекарством, попав в организм, отдаст содержимое там, где он набухнет. Благодаря таким свойствам для направленного транспорта лекарственного вещества в желудок можно использовать гели, содержащие группы слабого основания и поэтому набухающие в кислой среде желудка, например, гель на основе N,N-диметиламиноэтилметакрилата. Кроме того, такие гели могут служить еще и в качестве защитной оболочки. Они сколлапсированы при нейтральных рН во рту и тем самым предотвращают растворение лекарственного вещества в слюне, избавляя больного от неприятного вкуса горького лекарства. Покрытия на раны и ожоги. Покрытия на раны и ожоги с регулируемой скоростью выделения в область раны. Известно, что при инфекции в зоне воспаления повышается кислотность среды. Создан был полимер, не растворимый гидрогель, при нормальной pH крови (pH7,4) способен в себе удерживать антибиотики. При подкислении среды, что имеет место при воспаление, «ячейки» геля, благодаря специально заложенному при его созданию свойству, расширяется и лекарство попадает в рану.