Aplicações biomédicas para polímeros inteligentes

Imitando a capacidade de resposta ao estímulo dos polímeros naturais

Os cientistas que estudam os polímeros naturais encontrados em organismos vivos ( proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos ) aprenderam como se comportam em biológicos sistemas que desempenham os seus papéis estruturais e fisiológicos. Essa informação está sendo usada para desenvolver substâncias poliméricas artificiais similares com propriedades específicas e a capacidade de responder às mudanças em seu ambiente.

Estes polímeros sintéticos são potencialmente muito úteis para uma variedade de aplicações, incluindo algumas relacionadas à biotecnologia e biomedicina.

Os polímeros inteligentes estão se tornando cada vez mais prevalentes à medida que os cientistas aprendem sobre a química e os desencadeantes que induzem mudanças conformacionais em estruturas de polímeros e prover maneiras de aproveitá-los e controlá-los. Novos materiais poliméricos estão sendo formulados quimicamente que detectam mudanças ambientais específicas em sistemas biológicos e ajustam de maneira previsível tornando-os ferramentas úteis para a administração de medicamentos ou outros mecanismos de controle metabólico.

A resposta não linear de polímeros inteligentes é o que os torna tão únicos e eficazes. Uma mudança significativa na estrutura e propriedades pode ser induzida por um estímulo muito pequeno . Uma vez que essa alteração ocorre, não há mais mudanças, o que significa que ocorre uma resposta previsível, tudo ou nada, com uniformidade completa em todo o polímero.

Os polímeros inteligentes podem alterar a conformação, a adesividade ou as propriedades de retenção de água, devido a pequenas alterações no pH, força iónica, temperatura ou outros gatilhos.

Outro fator na eficácia dos polímeros inteligentes reside na natureza inerente dos polímeros em geral. A força da resposta de cada molécula às mudanças nos estímulos é o composto de mudanças de unidades monoméricas individuais que, por si só, seriam fracas.

No entanto, essas respostas fracas, combinadas centenas ou milhares de vezes , criam uma força considerável para a condução dos processos biológicos.

Classificação e Química

Atualmente, o uso mais prevalente para polímeros inteligentes em biomedicina é para tratamento especificamente dirigido . Desde o advento de produtos de libertação temporizada de produtos farmacêuticos , os cientistas enfrentaram o problema de encontrar formas de administrar medicamentos a um determinado site no organismo sem que ele primeiro degrade no ácido altamente ácido ambiente estomacal. A prevenção de efeitos adversos para ossos e tecidos saudáveis ​​também é uma consideração importante. Os pesquisadores desenvolveram maneiras de usar polímeros inteligentes para controlar a liberação de drogas até o sistema de entrega atingir o alvo desejado. Esta versão é controlada por um gatilho químico ou fisiológico.

Os polímeros inteligentes lineares e de matriz existem com uma variedade de propriedades dependendo de grupos funcionais reativos e cadeias laterais. Esses grupos podem responder ao pH, à temperatura, à força iónica, aos campos elétricos ou magnéticos e à luz. Alguns polímeros são reversivelmente reticulados por ligações não covalentes que podem quebrar e reformar dependendo de condições externas. A nanotecnologia tem sido fundamental no desenvolvimento de certos polímeros de nanopartículas, como dendrímeros e fullerenos, que foram aplicados para a entrega de fármacos.

O encapsulamento tradicional de drogas foi feito usando polímeros de ácido lático. Desenvolvimentos mais recentes têm visto a formação de matrizes tipo rede que mantêm a droga de interesse integrada ou aprisionada entre as cadeias de polímero.

As matrizes poliméricas inteligentes liberam drogas por uma reação química ou fisiológica que altera a estrutura, muitas vezes uma reação de hidrólise que resulta na clivagem de ligações e liberação de fármaco à medida que a matriz se divide em componentes biodegradáveis. O uso de polímeros naturais deu lugar a polímeros sintetizados artificialmente, tais como polianidridos, poliésteres, ácidos poliacrílicos, poli (metacrilatos de metilo) e poliuretanos. Os polímeros hidrófilos, amorfos, de baixo peso molecular contendo heteroátomos (isto é, átomos diferentes do carbono) foram encontrados para se degradar mais rapidamente. Os cientistas controlam a taxa de administração de fármacos variando essas propriedades, ajustando assim a taxa de degradação.

Os copolímeros de enxerto e bloco são compostos por dois polímeros diferentes enxertados em conjunto. Já existem várias patentes para diferentes combinações de polímeros com diferentes grupos reativos. O produto exibe propriedades de ambos os componentes individuais que adicionam uma nova dimensão a uma estrutura de polímero inteligente e podem ser úteis para determinadas aplicações. Os polímeros hidrofóbicos e hidrofílicos de ligação cruzada resultam na formação de estruturas semelhantes a micelas que podem auxiliar de modo protetivo através do meio aquoso até que as condições na localização do alvo causem a degradação simultânea de ambos os polímeros.

Uma abordagem de enxerto e bloco pode ser útil para resolver problemas encontrados pelo uso de um polímero bioadesivo comum, ácido poliacrílico (PAAc). O PAAc adere-se às superfícies mucosas, mas inundará e degradará rapidamente a pH 7. 4, resultando em liberação rápida de drogas aprisionadas em sua matriz. Uma combinação de PAAc com outro polímero que é menos sensível às mudanças em pH neutro pode aumentar o tempo de residência e diminuir a liberação do medicamento, melhorando assim a biodisponibilidade ea eficácia.

Hydrogels são redes de polímeros que não se dissolvem em água, mas incham ou contraem em ambientes aquosos em mudança. Eles são úteis na biotecnologia para a separação de fases porque são reutilizáveis ​​ou recicláveis. Novas formas de controlar o fluxo, ou captura e liberação de compostos alvo, em hidrogéis, estão sendo investigadas. Hidrogeles altamente especializados foram desenvolvidos para a entrega e liberação de medicamentos em tecidos específicos.

Os hidrogeles feitos de PAAc são especialmente comuns devido às suas propriedades bioadesivas e à sua enorme absorção.

A imobilização de enzimas em hidrogéis é um processo bastante bem estabelecido. As redes de polímeros e os hidrogéis reversivelmente reticulados podem ser aplicados de forma semelhante a um sistema biológico em que a resposta e a liberação de um fármaco são desencadeadas pela própria molécula alvo.

Alternativamente, a resposta pode ser ativada ou desativada pelo produto de uma reação enzimática. Isso geralmente é feito incorporando uma enzima, receptor ou anticorpo, que se liga à molécula de interesse, no hidrogel. Uma vez ligado, ocorre uma reação química que desencadeia uma reação do hidrogel. O gatilho pode ser oxigênio, detectado usando enzimas oxidorreuctasas ou uma resposta sensível ao pH. Um exemplo do último é o aprisionamento combinado de glucose oxidase e insulina em um hidrogel responsivo ao pH. Na presença de glicose, a formação de ácido glucônico pela enzima desencadeia a liberação de insulina do hidrogel.

Dois critérios para que esta tecnologia funcione eficazmente são estabilidade enzimática e cinética rápida (resposta rápida ao gatilho e recuperação após a remoção do gatilho). Várias estratégias foram testadas em pesquisa de diabetes tipo 1, envolvendo o uso de tipos similares de polímeros inteligentes que podem detectar mudanças nos níveis de glicose no sangue e desencadear produção ou liberação de insulina. Do mesmo modo, existem muitas aplicações possíveis de hidrogéis similares como agentes de administração de fármaco para outras condições e doenças.

Os polímeros inteligentes não são apenas para entrega de drogas. Suas propriedades os tornam especialmente adequados para bioseparations .

O tempo e os custos envolvidos na purificação de proteínas podem ser significativamente reduzidos usando polímeros inteligentes que sofrem mudanças reversíveis rápidas em resposta a uma mudança nas propriedades médias. Os sistemas conjugados têm sido usados ​​há muitos anos em separações físicas e de afinidade e imunoensaios. As alterações microscópicas na estrutura do polímero são manifestadas como formação de precipitação, que podem ser usadas para ajudar a separação de proteínas presas da solução.

Estes sistemas funcionam quando uma proteína ou outra molécula que deve ser separada de uma mistura, forma um bioconjugado com o polímero e precipita com o polímero quando seu ambiente sofre uma mudança. O precipitado é removido do meio, separando assim o componente desejado do conjugado do resto da mistura. A remoção deste componente do conjugado depende da recuperação do polímero e do retorno ao seu estado original, de modo que os hidrogéis são muito úteis para tais processos.

Outra abordagem para o controle de reações biológicas usando polímeros inteligentes é preparar proteínas recombinantes com locais de ligação de polímero incorporados próximos aos locais de ligação ou de ligação celular. Esta técnica tem sido usada para controlar o ligando e a atividade de ligação celular, com base em uma variedade de gatilhos, incluindo temperatura e luz.

Aplicações futuras

Sugeriu-se que os polímeros possam ser desenvolvidos que possam aprender e auto-corrigir o comportamento ao longo do tempo.Embora esta possa ser uma possibilidade muito distante, existem outras aplicações mais viáveis ​​que parecem vir em um futuro próximo. Uma delas é a idéia de toques inteligentes que analisam a urina e ajudam a identificar problemas de saúde. Na biotecnologia ambiental, sistemas de irrigação inteligentes também foram propostos. Seria incrivelmente útil ter um sistema que ligue e desligue, e controle as concentrações de fertilizantes, com base na umidade do solo, pH e níveis de nutrientes. Muitas abordagens criativas para sistemas específicos de entrega de medicamentos que se auto-regulam com base em seu ambiente celular exclusivo também estão sob investigação.

Existem óbvios problemas possíveis associados ao uso de polímeros inteligentes em biomedicina. O mais preocupante é a possibilidade de toxicidade ou incompatibilidade de substâncias artificiais no corpo, incluindo produtos de degradação e subprodutos. No entanto, os polímeros inteligentes têm enorme potencial em biotecnologia e aplicações biomédicas se esses obstáculos puderem ser superados.

_Fontes

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