Idrogel e le loro capacità salvavita

Benvenuti nel mondo degli idrogel: materiali di dimensioni nanometriche che possono avere un impatto su miliardi di persone in tutto il mondo!

Da quando eravamo bambini, ci è stato insegnato che le cose esistono in tre stati: solido, liquido e gas. Ma la natura è in effetti più intricata di quella, dove esistono alcuni materiali tra gli stati. Ad esempio, pensa alla gelatina, l'ingrediente che fa tremare i dessert. Non è né solido né liquido né gas; è un idrogel!

Gli idrogel sono reti insolubili in acqua, reticolate, tridimensionali di catene polimeriche, accoppiate con l'acqua che riempie i vuoti tra le catene polimeriche. La reticolazione tra catene polimeriche dà origine alla resistenza meccanica e all'integrità fisica della struttura. Gli idrogel sono altamente assorbenti, contenenti almeno il 90% di acqua. Questa è anche una percentuale più alta di acqua che il corpo umano può trattenere!

Inoltre, l'idrogel è un materiale facilmente programmabile, il che significa che possiamo progettare reazioni chimiche per combinare l'idrogel con altre molecole per uno scopo specifico.

Dagli anni '60, gli scienziati hanno immaginato l'idrogel come un candidato promettente per le applicazioni a contatto permanente, quelle che vengono impiantate nel corpo in modo permanente senza rigetto dal sistema immunitario.

Ecco la parte più interessante: gli idrogel sono materiali intelligenti! Cambiano alcune proprietà, come la forma, in risposta a diversi cambiamenti nell'ambiente. Alcuni stimoli comuni per idrogel intelligenti nelle applicazioni biologiche sono pH, temperatura e forza ionica. Ciò consente agli idrogel di essere candidati perfetti quando entrano negli ambienti localizzati del corpo. Possiamo anche cambiare l'ambiente esterno dall'esterno per manipolare l'attività dell'idrogel all'interno del corpo.

Cosa rende gli idrogel così “intelligenti”?

Ci sono molti gruppi funzionali che sono attaccati alla spina dorsale del polimero, un esempio importante sono i gruppi di acido carbossilico o RCOOH. Quando un gruppo di acido carbossilico viene aggiunto all'acqua, l'idrogeno del gruppo acido può dissociarsi. Il risultato è uno ione carbossilato (RCOO-) con carica negativa e ione idrogeno (H +). Se l'ambiente favorisce la dissociazione dell'idrogeno, la catena polimerica ha molte cariche negative lungo la sua spina dorsale. Le cariche negative delle catene polimeriche si respingono a vicenda, facendo srotolare l'idrogel (aprirsi). Le cariche negative aumentano anche l'attrazione del polimero verso l'acqua attirando l'idrogeno dipolo positivo dell'acqua.

Inoltre, la reazione di RCOOH a RCOO- è reversibile e l'ambiente chimico determinerà se si verifica la reazione diretta. Poiché la spina dorsale polimerica deve essere più negativa rispetto alle molecole chimiche nel suo ambiente, un ambiente ricco di acido / acido (basso pH) favorirà una spina dorsale ROOH o neutra. D'altra parte, più alcali (pH più elevato) favorisce una carica negativa. Boom, questo è un esempio di come un piccolo cambiamento nel livello del pH può influenzare notevolmente il grado di gonfiore degli idrogel!

Consegna farmaci

Una delle applicazioni cliniche più interessanti che vengono testate è la consegna dei farmaci. Le persone con diabete di tipo 1 devono costantemente iniettarsi insulina per controllare i livelli di zucchero nel sangue.

Gli idrogel potrebbero aiutare i pazienti a rinunciare a tale esigenza. In effetti, i ricercatori stanno usando il poli (β-amino-estere) (PAE) per sintetizzare gli idrogel che possono essere iniettati sotto la pelle, creando un deposito di insulina nel corpo. L'insulina si diffonde naturalmente dall'ambiente con una maggiore concentrazione di insulina per ridurre la concentrazione di insulina, portando al lento rilascio dell'ormone dall'interno dell'idrogel nel flusso sanguigno.

In questo modo, più iniezioni di insulina possono essere sostituite con una singola iniezione di idrogel!

Sangue fresco per tessuti danneggiati

Non solo gli idrogel possono potenzialmente sostituire i colpi di insulina, ma sono un'alternativa promettente ai farmaci per fluidificare il sangue e all'angioplastica e alla chirurgia di bypass - attuali metodi di trattamento per l'ischemia.

Una dimostrazione di ischemia cerebrale - un tipo di ictus che si verifica quando il flusso di sangue al cervello viene interrotto

L'ischemia è una grave condizione medica in cui il flusso di sangue e il rilascio di ossigeno ai tessuti sono limitati, con conseguente dolore, debolezza e, più seriamente, danni ai tessuti e agli organi. Quando si verifica nel tessuto muscolare, specialmente sotto forma di aterosclerosi, l'ischemia può provocare malattie fatali come la coronaropatia e l'ictus, che attualmente sono la principale causa di morte secondo l'Organizzazione mondiale della sanità.

Gli scienziati hanno trovato un approccio molto interessante nel trattamento dell'ischemia: la crescita di nuovi vasi sanguigni al fine di aumentare il flusso sanguigno nel sito ischemico attraverso la consegna di fattori di crescita angiogenici come il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) e il fattore di crescita simile all'insulina-1 (IGF) !

Dopo essere stati infusi con VEGF e IGF, gli idrogel di alginato possono essere consegnati al corpo usando microneedles.

Idrogel di chitosano modificato con peptidi che porta alla formazione di nuovi vasi sanguigni. (Chen et. Al (2015). Peptide mimetico della laminina SIKVAV: idrogel di chitosano che promuove la guarigione delle ferite migliorando l'angiogenesi, la riepitelizzazione e la deposizione di collagene. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Generalmente raggruppati in un gran numero, i microneedles sono progettati per essere applicati sulla pelle come una patch. Quando vengono premuti sulla superficie della pelle, gli aghi sono in grado di attraversare lo strato più esterno della pelle ("strato corneo") che quindi crea pori microscopici, consentendo ai fattori di crescita di entrare nel corpo e stimolare la crescita di nuovi vasi sanguigni senza causare qualsiasi danno a quelli esistenti.

Una dimostrazione di microneedles che rilasciano sostanze chimiche

Uccidere i superbatteri

I ricercatori dell'Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) e IBM Research hanno sviluppato il primo idrogel antimicrobico in assoluto in grado di rompere i biofilm e distruggere i superbatteri multiresistenti al contatto con idrogel nel 2013. Ed è davvero sorprendente!

Cellule normali dei batteri Acinetobacter baumannii prima (a sinistra) e dopo (a destra) il trattamento con i polimeri [Credit: Institute of Bioengineering and Nanotechnology]

Esiste un problema fondamentale alla base del modo in cui trattiamo i batteri oggi: gli antibiotici sono una mazza che esaurisce e distrugge la comunità microbica intestinale.

La cosa veramente importante da capire è che se continuiamo ad usare antibiotici fino al 2050, 10 milioni di persone moriranno ogni anno a causa di infezioni batteriche. Questo è ancora più morti di tutti i tipi di tumori messi insieme.

Gli idrogel possono essere caricati con nanoparticelle metalliche come nuovo modo di combattere i microbi. Ad esempio, Ag + rilasciato dalle nanoparticelle Ag interagisce con la cisteina in alcune regioni di proteine ​​sulle membrane batteriche, causando la perdita di K + dall'interno e l'interruzione dei sistemi di trasporto cellulare, che alla fine porta alla morte delle cellule batteriche.

Un diagramma del meccanismo di uccisione in quattro fasi del polimero contro superbatteri resistenti ai farmaci (Fase 1) Legame del polimero caricato positivamente alla superficie cellulare dei batteri, (Fase 2) Neutralizzare le cariche positive del polimero per entrare nella membrana cellulare batterica , (Passaggio 3) Penetrando nel citoplasma batterico, un fluido che riempie la cellula, e (Passaggio 4) Precipitando le sostanze citoplasmatiche per uccidere il batterio. (Credito: Istituto di Bioingegneria e Nanotecnologie)

Altri studi hanno anche dimostrato che Ag + interagisce con le proteine ​​della parete cellulare e la membrana plasmatica dei batteri. La combinazione di Ag + con membrana caricata negativamente perfora la membrana, permettendo così ai contenuti citoplasmatici di fluire fuori dalla cellula, dissipando il gradiente H + attraverso la membrana e talvolta causando la morte cellulare.

Con la sua natura versatile e programmabile, gli idrogel sono oggi uno dei materiali più semplici ma più intriganti e potenti del nostro mondo!

Prima che tu vada,

Applaudi questo articolo se hai imparato qualcosa di nuovo.
Condividi con colleghi, familiari e amici!
Segui la mia pagina media per rimanere aggiornato con la mia impresa in Nanotecnologia, ingegneria genetica, invecchiamento e apprendimento automatico!