Nanokomposithydrogeler
Nanokomposithydrogeler ( NC-geler ) är nanomaterialfyllda, hydratiserade, polymera nätverk som uppvisar högre elasticitet och styrka jämfört med traditionellt tillverkade hydrogeler . En rad naturliga och syntetiska polymerer används för att designa nanokompositnätverk. Genom att kontrollera interaktionerna mellan nanopartiklar och polymerkedjor kan en rad fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper konstrueras. Kombinationen av organisk (polymer) och oorganisk (lera) struktur ger dessa hydrogeler förbättrade fysikaliska, kemiska, elektriska, biologiska och svällande/avsvällande egenskaper som inte kan uppnås av något material ensamt. Inspirerade av flexibla biologiska vävnader, inkorporerar forskare kolbaserade, polymera, keramiska och/eller metalliska nanomaterial för att ge dessa hydrogeler överlägsna egenskaper som optiska egenskaper och stimuluskänslighet som potentiellt kan vara till stor hjälp för medicinska (särskilt läkemedelsleverans och stamcellsteknik) och mekaniska områden.
Nanokomposithydrogeler ska inte förväxlas med nanogel , en nanopartikel som består av en hydrogel.
Syntes
Syntesen av nanokomposithydrogeler är en process som kräver specifikt material och metod. Dessa polymerer måste bestå av jämnt fördelade, 30 nm i diameter, lerplättar som kan svälla och exfoliera i närvaro av vatten. Blodplättarna fungerar som tvärbindningar för att modifiera molekylära funktioner för att möjliggöra för hydrogelerna att ha överlägsen elasticitet och seghet som liknar biologisk vävnad. Användning av lerplättar som inte sväller eller exfolierar i vatten, med användning av ett organiskt tvärbindningsmedel såsom N,N-metylenbisakrylamid (BIS), blandning av lera och BIS, eller framställning av nanokomposithydrogeler med en annan metod än tvärbindning, kommer att vara misslyckad.
Trots alla specifikationer är processen att syntetisera nanokomposithydrogeler enkel och på grund av materialets flexibla natur kan dessa hydrogeler lätt fås i olika former såsom stora block, ark, tunna filmer, stavar, ihåliga rör, sfärer , bälg och ojämna plåtar.
Egenskaper
Mekanisk
Nanokomposithydrogeler är tuffa och tål sträckning, böjning, knutning, krossning och andra modifieringar.
Draghållfasthet
Dragprovningar utfördes på nanokomposithydrogeler för att mäta spänningen och spänningen den upplever när den förlängs under rumstemperatur. Resultaten visar att detta material kan sträckas upp till 1000 % av sin ursprungliga längd.
Kompression
Hysteres används för att mäta kompressionsegenskaperna hos nanokomposithydrogeler, vilket visar att detta material tål cirka 90 % kompression. Dessa data visar att nanokomposithydrogeler uppvisar överlägsen styrka jämfört med konventionellt tillverkade hydrogeler , som skulle ha gått sönder under mindre kompression.
Svullnad och stimulanskänslighet
Svullnad, avsvällning
Det porösa nätverket av lerpartiklar gör det möjligt för nanokomposithydrogeler att svälla i närvaro av vatten. Svällning (och avsvällning) skiljer NC-geler från konventionellt tillverkade hydrogeler (OR-geler) eftersom det är en egenskap som OR-geler saknar. Den svällande egenskapen hos NC-geler gör att de kan samla upp den omgivande vattenlösningen istället för att lösas upp av den, vilket hjälper till att göra dem till goda kandidater för läkemedelsleveransbärare.
Stimuluskänslighet
Nanokomposithydrogeler observeras vara temperaturkänsliga och kommer att ändra temperatur när deras omgivning ändras. Oorganiska salter, när de absorberas, kommer att resultera i att hydrogelerna ändras till en lägre temperatur medan katjonisk tensid kommer att ändra temperaturen åt andra hållet. Temperaturen på dessa hydrogeler är runt 40 grader Celsius, vilket gör det till en möjlig kandidat för användning som biomaterial. Stimulanskänsligheten hos hydrogeler möjliggör ett responsivt frisättningssystem där hydrogelerna kan utformas för att leverera läkemedlet som svar på förändringar i kroppens tillstånd.
Typer
Via kolbaserade nanomaterial
Nanokomposithydrogeler som förstärks med kolbaserade nanomaterial är mekaniskt tuffa och elektriskt befrämjande, vilket gör dem lämpliga för användning inom biomedicin, vävnadsteknik, läkemedelsleverans, biosensing, etc. De elektriskt ledande egenskaperna hos dessa hydrogeler gör att de kan efterlikna egenskaperna hos nerv-, muskel- och hjärtvävnader. Men även om dessa nanokomposithydrogeler visar vissa funktioner hos mänsklig vävnad i labbmiljöer, behövs mer forskning för att säkerställa deras användbarhet som vävnadsersättning.
Via polymera nanopartiklar
Nanokomposithydrogeler inkorporerade med polymera nanopartiklar är skräddarsydda för läkemedelsleverans och vävnadsteknik. Tillsatsen av polymera nanopartiklar ger dessa hydrogeler ett förstärkt polymert nätverk som är styvare och har förmågan att innesluta hydrofila och hydrofoba läkemedel tillsammans med gener och proteiner. Den höga stressabsorberande egenskapen gör dem till en potentiell kandidat för broskvävnadsteknik.
Via oorganiska nanopartiklar
De flesta oorganiska nanopartiklar som används för nanokomposithydrogeler finns redan i och nödvändiga för kroppen och har därför inga negativa effekter på kroppen. Vissa av dem, som kalcium och kisel, hjälper till att förhindra benförlust och skelettutveckling. Andra, som nanoleror, förbättrar den strukturella bildningen och egenskaperna hos hydrogeler där de får självläkande egenskaper, flamskyddande strukturer, elasticitet, supergasbarriärmembran, oljeavstötning etc. De unika egenskaper som erhålls genom att inkorporera nanokomposithydrogeler med oorganiska nanopartiklar kommer att låta forskare arbeta med att förbättra benrelaterad vävnadsteknik.
Via metall- och metalloxidnanopartiklar
Den elektriska och termiska ledningsförmågan och magnetiska egenskaperna hos metaller förbättrar den elektriska ledningsförmågan och antibakteriella egenskaperna hos nanokomposithydrogeler när de ingår. Den elektriskt ledande egenskapen är nödvändig för att hydrogelerna ska börja bilda funktionella vävnader och användas som avbildningsmedel, läkemedelstillförselsystem, ledande ställningar, omkopplingsbar elektronik, ställdon och sensorer. [ citat behövs ]
Ansökningar
Forskare har letat efter ett material som kan efterlikna vävnadsegenskaper för att göra vävnadstekniken mer effektiv och mindre invasiv för människokroppen. Det porösa, sammankopplande nätverket av nanokomposithydrogeler, skapade genom tvärbindning, gör det möjligt för avfall och näringsämnen att enkelt komma in och ut ur strukturen, och deras elastomeriska egenskaper gör att de får den önskade anatomiska formen utan att behöva gjutas i förväg. Den porösa strukturen hos detta material skulle också göra processen för läkemedelstillförsel lättare där de farmaceutiska föreningarna som finns i hydrogelen lätt kan fly och absorberas av kroppen. Bortsett från det tittar forskare också på att införliva nanokomposithydrogeler med silvernanopartiklar för antibakteriella applikationer och eliminering av mikroorganismer i medicinsk och livsmedelsförpackning och vattenbehandling. Hydrogeler infunderade med nanopartiklar har ett antal biologiska tillämpningar, inklusive: vävnadsteknik, kemisk och biologisk avkänning och läkemedels- och genleverans.
Vävnadsteknik
Som vävnadsersättningar behöver nanokomposithydrogeler interagera med celler och bilda funktionella vävnader. Med de inbyggda nanopartiklarna och nanomaterialen kan dessa hydrogeler efterlikna de fysiska, kemiska, elektriska och biologiska egenskaperna hos de flesta inhemska vävnader. Varje typ av nanokomposithydrogeler har sina egna unika egenskaper som låter den efterlikna vissa typer av djurvävnad.
Drogleverans
Framväxten av nanokomposithydrogeler möjliggör mer platsspecifik och tidskontrollerad leverans av läkemedel av olika storlekar med förbättrad säkerhet och specificitet. Beroende på metoden för att föra in läkemedel i materialet, till exempel löst, inneslutet eller fäst, kommer läkemedelsbäraren att heta olika: nanopartiklar, nanosfärer (där läkemedlet är jämnt fördelat i det polymera nätverket) eller nanokapslar ( där läkemedlet är omgivet av en polymerskalstruktur). Den elastomera karaktären hos detta material gör att hydrogelerna kan erhålla formen på målstället och sålunda kan hydrogelerna tillverkas identiskt och användas på alla patienter.
Hydrogeler är kontrollerade läkemedelstillförselmedel som kan konstrueras för att ha önskade egenskaper. Specifikt kan hydrogeler utformas för att frigöra läkemedel eller andra medel som svar på fysiska egenskaper hos miljön såsom temperatur och pH. Reaktionsförmågan hos hydrogeler är ett resultat av deras molekylära struktur och polymernätverk.
Hydrogel nanopartiklar har en lovande framtid inom läkemedelsleveransområdet. Helst bör läkemedelsleveranssystem "...maximera effektiviteten och säkerheten för det terapeutiska medlet, leverera en lämplig mängd i lämplig hastighet och till den mest lämpliga platsen i kroppen". Nanoteknik som ingår i hydrogeler har potentialen att uppfylla alla krav för ett idealiskt läkemedelsleveranssystem. Hydrogeler har studerats med en mängd olika nanokompositer inklusive: lera, guld, silver, järnoxid, kolnanorör, hydroxiapatit och trikalciumfosfat.
Nanopartiklar, till stor del på grund av deras storleksrelaterade fysikaliska egenskaper, är mycket användbara som läkemedelstillförselmedel. De kan övervinna fysiologiska hinder och nå specifika mål. Nanopartiklars storlek, ytladdning och egenskaper gör att de kan penetrera biologiska barriärer som de flesta andra läkemedelsbärare inte kan. För att bli ännu mer specificerade kan nanopartiklar beläggas med målsökande ligander. Nanopartiklars förmåga att leverera läkemedel till specifika mål antyder potentialen att begränsa systemiska biverkningar och immunsvar.
Förmågan hos nanopartiklar att bära och frigöra läkemedel är också till stor del beroende av egenskaper som är resultatet av nanopartiklarnas lilla storlek och unika förhållande mellan yta och volym. Nanopartiklar kan i allmänhet bära läkemedel på två sätt: läkemedel kan antingen bindas till utsidan av nanopartiklarna eller packas i nanopartiklarnas polymera matris. Mindre nanopartiklar har högre ytareakvoter och kan därmed binda en stor mängd läkemedel, medan större nanopartiklar kan kapsla in mer av läkemedlet i dess kärna. Den bästa metoden för läkemedelsladdning beror på strukturerna hos läkemedlet som ska bindas. Dessutom kan läkemedelsladdning ske när nanopartiklarna produceras, eller så kan läkemedlen läggas till redan existerande nanopartiklar. Frisättningen av läkemedel beror till stor del på storleken på nanopartikeln som bär den. Eftersom nanopartiklar kan bindas till ytan av nanopartiklar, som är stor i förhållande till volymen av partiklarna, kan läkemedel frigöras snabbt. Däremot frisätts läkemedel som är laddade i nanopartiklar långsammare.
Antibakteriella applikationer
Silver nanopartiklar infogas i 3D-polymernätverken av nanokomposithydrogeler för tillämpningar i antibakteriell aktivitet och förbättring av elektrisk konduktans. Närvaron av silverjoner stoppar antingen det respiratoriska enzymet från att överföra elektroner till syremolekyler under andning eller förhindrar proteiner från att reagera med tiolgrupper (-SH) på bakteriemembranet, vilket båda leder till att bakterier och mikroorganismer dör utan att skada däggdjursceller. Storleken på dessa silvernanopartiklar måste vara tillräckligt små för att passera genom cellmembranet och därför krävs ytterligare forskning för att tillverka dem i lämpliga storlekar.
Bekymmer
Vissa farhågor relaterade till hydrogeler infunderade med nanopartiklar är risken att antingen brista eller ofullständig frisättning av läkemedel. Även om hydrogeler infunderade med nanopartiklar spekuleras vara ganska lovande metoder för läkemedels-, protein-, peptid-, oligosackarid-, vaccin- och nukleinsyratillförsel, krävs fler studier angående nanotoxikologi och säkerhet innan kliniska tillämpningar kan eftersträvas. Vidare, för att undvika ackumulering, är biologiskt nedbrytbara geler och nanopartiklar mycket önskvärda.
