Nanokompozit hidrojeller - Nanocomposite hydrogels

Nanokompozit hidrojeller (NC jeller) geleneksel olarak yapılanlara göre daha yüksek elastikiyet ve mukavemet sergileyen nanomateryal dolgulu, hidratlı, polimerik ağlardır. hidrojeller. Bir dizi doğal ve sentetik polimerler nanokompozit ağı tasarlamak için kullanılır. Arasındaki etkileşimleri kontrol ederek nanopartiküller ve polimer zincirler, bir dizi fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellik tasarlanabilir.[1] Organik (polimer) ve inorganik (kil) yapının kombinasyonu, bu hidrojellere, her iki malzeme ile tek başına elde edilemeyen gelişmiş fiziksel, kimyasal, elektriksel, biyolojik ve şişme / şişme özellikleri verir.[2] Esnek biyolojik dokulardan esinlenen araştırmacılar, bu hidrojellere optik özellikler ve uyaran duyarlılığı gibi üstün özellikler vermek için karbon bazlı, polimerik, seramik ve / veya metalik nanomateryalleri dahil ederek potansiyel olarak tıbbi (özellikle ilaç dağıtımı ve kök hücre mühendisliği) çok yardımcı olabilir. ve mekanik alanlar.[2]

Nanokompozit hidrojeller ile karıştırılmamalıdır nanojel bir hidrojelden oluşan bir nanopartikül.

Sentez

Sentezi nanokompozit hidrojeller, belirli malzeme ve yöntem gerektiren bir süreçtir. Bu polimerlerin eşit aralıklarla, 30 nm çapında, kil su varlığında şişebilen ve pul pul dökülebilen trombositler. Trombositler, çapraz bağlantılar hidrojellerin biyolojik dokuya çok benzeyen üstün elastikiyet ve tokluğa sahip olmalarını sağlamak için moleküler fonksiyonları modifiye etmek.[3] Suda şişmeyen veya pul pul dökülmeyen kil trombositlerinin kullanılması, N, N-metilenbisakrilamid (BIS) gibi organik bir çapraz bağlayıcı kullanılması, kil ve BIS'in karıştırılması veya çapraz bağlantı dışında bir yöntemle nanokompozit hidrojellerin hazırlanması, başarısız.[4]

Tüm spesifikasyonlara rağmen, nanokompozit hidrojellerin sentezlenmesi süreci basittir ve malzemenin esnek yapısı nedeniyle, bu hidrojeller, büyük bloklar, tabakalar, ince filmler, çubuklar, içi boş tüpler, küreler gibi farklı şekillerde gelmeleri için kolayca yapılabilir. , körükler ve düzensiz çarşaflar.[5]

Özellikleri

Mekanik

Nanokompozit hidrojeller dayanıklıdır ve gerilme, bükülme, düğümlenme, ezilme ve diğer değişikliklere dayanabilir.

Çekme

Çekme testleri oda sıcaklığında uzatıldığında yaşadığı gerilimi ve gerilimi ölçmek için nanokompozit hidrojeller üzerinde yapıldı. Sonuçlar, bu malzemenin orijinal uzunluğunun% 1000'ine kadar gerilebileceğini göstermektedir.[6]

Sıkıştırma

Histerezis Nanokompozit hidrojellerin sıkıştırma özelliklerini ölçmek için kullanılır, bu da bu malzemenin yaklaşık% 90 sıkıştırmaya dayanabildiğini gösterir. Bu veriler, nanokompozit hidrojellerin geleneksel olarak yapılanlara göre daha üstün bir güç sergilediğini göstermektedir. hidrojeller, daha az sıkıştırma altında bozulurdu.

Şişme ve uyaran hassasiyeti

Şişme, şişkinlik

Gözenekli kil parçacıkları ağı, nanokompozit hidrojellerin su varlığında şişmesini sağlar. Şişme (ve şişme), OR jellerinin sahip olmadığı bir özellik olduğu için NC jelleri geleneksel olarak yapılmış hidrojellerden (OR jelleri) ayırır. NC jellerinin şişme özelliği, bunların çözülmek yerine çevreleyen sulu çözeltiyi toplamalarına izin verir, bu da onları ilaç dağıtım taşıyıcıları için iyi adaylar haline getirmeye yardımcı olur.[7]

Uyaran duyarlılığı

Nanokompozit hidrojellerin sıcaklığa duyarlı olduğu ve çevreleri değiştiğinde sıcaklığı değiştireceği gözlemlenir.[8] İnorganik tuzlar emildiklerinde hidrojellerin daha düşük bir sıcaklığa değiştirilmesine neden olurken, katiyonik yüzey aktif madde sıcaklığı diğer yönde değiştirecektir. Bu hidrojellerin sıcaklığı yaklaşık 40 santigrat derece olup, onu biyomateryal olarak kullanmak için olası bir aday yapar.[9] Hidrojellerin uyarıcı duyarlılığı, hidrojellerin, vücudun durumundaki değişikliklere yanıt olarak ilacı vermek üzere tasarlanabildiği, yanıt veren bir salım sistemine izin verir.

Türler

Karbon bazlı nanomalzemeler aracılığıyla

Karbon bazlı nanomalzemeler ile güçlendirilen nanokompozit hidrojeller, mekanik olarak sert ve elektriksel olarak iletkendir, bu da onları biyotıp, doku mühendisliği, ilaç verme, biyoalgılama, vb. Bu hidrojellerin elektriksel iletkenlik özelliği, sinir, kas ve kalp dokularının özelliklerini taklit etmelerine izin verir. Bununla birlikte, bu nanokompozit hidrojeller laboratuar ortamlarında insan dokusunun bazı işlevlerini sergilemelerine rağmen, doku replasmanı olarak kullanımlarını sağlamak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.[10]

Polimerik nanopartiküller aracılığıyla

Polimerik nanopartiküller ile birleştirilmiş nanokompozit hidrojeller, ilaç dağıtımı ve doku mühendisliği için özel olarak tasarlanmıştır. Polimerik nanopartiküllerin eklenmesi, bu hidrojellere, daha sert olan ve genler ve proteinlerle birlikte hidrofilik ve hidrofobik ilaçları sarma yeteneğine sahip, güçlendirilmiş bir polimerik ağ sağlar. Yüksek stres emici özelliği, onları kıkırdak dokusu mühendisliği için potansiyel bir aday yapar.[10]

İnorganik nanopartiküller aracılığıyla

Nanokompozit hidrojeller için kullanılan inorganik nanopartiküllerin çoğu vücutta zaten mevcuttur ve vücut için gereklidir ve bu nedenle vücut üzerinde hiçbir olumsuz etki göstermez. Kalsiyum ve silikon gibi bazıları kemik kaybını ve iskelet gelişimini önlemeye yardımcı olur. Nanokiller gibi diğerleri, hidrojellerin yapısal oluşumunu ve özelliklerini geliştirerek kendi kendini iyileştirme özellikleri, alev geciktirici yapılar, esneklik, süper gaz bariyeri membranı, yağ iticilik vb. Geliştirirler. Nanokompozit hidrojelleri inorganik nanopartiküller ile birleştirerek elde edilen benzersiz özellikler araştırmacıların kemikle ilgili doku mühendisliğini geliştirmeye çalışmasına izin verecek.[10]

Metal ve metal oksit nanopartiküller aracılığıyla

Metallerin elektriksel ve termal iletkenliği ve manyetik özelliği, eklendiğinde nanokompozit hidrojellerin elektriksel iletkenliğini ve antibakteriyel özelliğini artırır. Elektriksel iletkenlik özelliği, hidrojellerin fonksiyonel dokular oluşturmaya başlaması ve görüntüleme ajanları, ilaç dağıtım sistemleri, iletken iskeleler, değiştirilebilir elektronikler, aktüatörler ve sensörler olarak kullanılması için gereklidir.[kaynak belirtilmeli ]

Başvurular

Araştırmacılar, doku özelliklerini taklit edebilecek bir malzeme arıyorlardı. doku mühendisliği insan vücudu için daha etkili ve daha az invaziv süreç. Çapraz bağlantı yoluyla oluşturulan gözenekli, birbirine bağlı nano-kompozit hidrojel ağı, atıkların ve besin maddelerinin yapıya kolayca girip çıkmasını sağlar ve elastomerik özellikleri, önceden kalıplamaya gerek kalmadan istenen anatomik şekli almalarını sağlar. Bu malzemenin gözenekli yapısı aynı zamanda ilaç teslimi hidrojelde bulunan farmasötik bileşiklerin vücut tarafından kolaylıkla kaçabileceği ve emilebildiği durumlarda daha kolaydır. Bunun yanı sıra, araştırmacılar ayrıca nanokompozit hidrojelleri gümüş nanopartiküller tıbbi ve gıda paketleme ve su arıtmada antibakteriyel uygulamalar ve mikroorganizma eliminasyonu için. Nanopartiküllerle aşılanmış hidrojeller, doku mühendisliği, kimyasal ve biyolojik algılama ve ilaç ve gen dağıtımı dahil olmak üzere bir dizi biyolojik uygulamaya sahiptir.

Doku mühendisliği

Doku değişimleri olarak, nanokompozit hidrojellerin hücrelerle etkileşime girmesi ve fonksiyonel dokular oluşturması gerekir. Dahil edilen nanopartiküller ve nanomalzemeler ile bu hidrojeller, çoğu doğal dokunun fiziksel, kimyasal, elektriksel ve biyolojik özelliklerini taklit edebilir. Her tür nanokompozit hidrojel, belirli hayvan doku türlerini taklit etmesine izin veren kendine özgü özelliklere sahiptir.

İlaç teslimi

Nanokompozit hidrojellerin ortaya çıkışı, daha fazla yere özgü ve farklı boyutlardaki ilaçların gelişmiş güvenlik ve özgüllükle zaman kontrollü dağıtımına izin verir. Örneğin, çözünmüş, kaplanmış veya eklenmiş olarak malzemeye ilaç yerleştirme yöntemine bağlı olarak, ilaç taşıyıcısı farklı şekilde adlandırılacaktır: nanopartiküller, nanoküreler (ilacın polimerik ağ boyunca eşit olarak dağıldığı yerler) veya nanokapsüller (ilacın bir polimer kabuk yapısı ile çevrili olduğu yerde).[7] Bu malzemenin elastomerik doğası, hidrojellerin hedeflenen bölgenin şeklini elde etmesine izin verir ve böylece hidrojeller aynı şekilde üretilebilir ve tüm hastalarda kullanılabilir.[11]

Hidrojeller, istenen özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilen kontrollü ilaç verme maddeleridir.[12] Spesifik olarak, hidrojeller, sıcaklık ve pH gibi ortamın fiziksel özelliklerine yanıt olarak ilaçları veya diğer maddeleri salmak üzere tasarlanabilir.[12] Hidrojellerin duyarlılığı, moleküler yapılarının ve polimer ağlarının bir sonucudur.[12]

Hidrojel nanopartiküllerinin ilaç dağıtımı alanında umut verici bir geleceği var. İdeal olarak, ilaç verme sistemleri, "… terapötik ajanın etkililiğini ve güvenliğini en üst düzeye çıkarmalı, uygun bir miktarı uygun bir oranda ve vücuttaki en uygun yere iletmelidir".[13] Hidrojellere dahil edilen nanoteknoloji, ideal bir ilaç dağıtım sisteminin tüm gereksinimlerini karşılama potansiyeline sahiptir. Hidrojeller, kil, altın, gümüş, demir oksit, karbon nanotüpler, hidroksiapatit ve trikalsiyum fosfat dahil olmak üzere çeşitli nanokompozitlerle çalışılmıştır.[13]

Nanopartiküller, büyük ölçüde boyutla ilgili fiziksel özelliklerinden dolayı, ilaç dağıtım ajanları olarak oldukça faydalıdır. Fizyolojik engelleri aşabilir ve belirli hedeflere ulaşabilirler.[14] Nanopartiküllerin boyutu, yüzey yükü ve özellikleri, diğer ilaç taşıyıcılarının çoğunun yapamadığı biyolojik engelleri aşmalarını sağlar.[14] Daha da belirgin hale getirmek için, nanopartiküller hedefleme ligandları ile kaplanabilir.[14] Nanopartiküllerin ilaçları belirli hedeflere ulaştırma yeteneği, sistemik yan etkileri ve bağışıklık tepkilerini sınırlama potansiyelini göstermektedir.[15]

Nanopartiküllerin ilaç taşıma ve salma yeteneği de büyük ölçüde nanopartiküllerin küçük boyutu ve benzersiz yüzey alanı / hacim oranından kaynaklanan özelliklere bağlıdır. Nanopartiküller genellikle ilaçları iki şekilde taşıyabilir: ilaçlar nanopartiküllerin dışına bağlanabilir veya nanoparçacıkların polimerik matrisi içinde paketlenebilir.[14] Daha küçük nanopartiküller daha yüksek yüzey alanı oranlarına sahiptir ve bu nedenle yüksek miktarda ilacı bağlayabilirken, daha büyük nanopartiküller çekirdeği içinde ilacın daha fazlasını kapsülleyebilir.[15] En iyi ilaç yükleme yöntemi, bağlanacak ilacın yapısına bağlıdır. Ayrıca, nanopartiküller üretilirken ilaç yüklemesi meydana gelebilir veya ilaçlar önceden var olan nanopartiküllere eklenebilir.[14] İlaçların salınımı büyük ölçüde onu taşıyan nanopartikülün boyutuna bağlıdır. Nanopartiküller, partiküllerin hacmine göre daha büyük olan nanopartiküllerin yüzeyine bağlanabildiğinden, ilaçlar hızlı bir şekilde salınabilir. Aksine, nanopartiküller içine yüklenen ilaçlar daha yavaş salınır.[14]

Antibakteriyel uygulamalar

Gümüş nanopartiküller, antibakteriyel aktivite ve elektrik iletkenliğindeki iyileştirme uygulamaları için nanokompozit hidrojellerin 3 boyutlu polimerik ağlarına eklenir. Gümüş iyonlarının varlığı, ya solunum enziminin solunum sırasında elektronları oksijen moleküllerine aktarmasını durdurur ya da proteinlerin bakteri zarı üzerindeki tiyol gruplarıyla (-SH) reaksiyona girmesini engeller, her ikisi de memeli hücrelerine zarar vermeden bakteri ve mikroorganizmanın ölümüyle sonuçlanır.[16] Bu gümüş nanopartiküllerin boyutunun hücre zarından geçecek kadar küçük olması gerekir ve bu nedenle bunları uygun boyutlarda üretmek için daha fazla araştırma yapılması gerekir.

Endişeler

Nanopartiküllerle aşılanmış hidrojellerle ilgili bazı endişeler, ilaçların patlaması veya eksik salınması olasılığıdır.[13] Nanopartiküllerle aşılanmış hidrojellerin oldukça ümit verici ilaç, protein, peptid, oligosakarit, aşı ve nükleik asit verme yöntemleri olduğu düşünülse de, klinik uygulamaların sürdürülebilmesi için nanotoksikoloji ve güvenlikle ilgili daha fazla çalışma yapılması gerekmektedir.[14] Ayrıca birikimi önlemek için biyolojik olarak parçalanabilir jeller ve nanopartiküller oldukça arzu edilir.[14]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Carrow, James K .; Gaharwar, Akhilesh K. (Kasım 2014). "Rejeneratif Tıp için Biyolojik Esinli Polimerik Nanokompozitler". Makromoleküler Kimya ve Fizik. 216 (3): 248–264. doi:10.1002 / macp.201400427.
  2. ^ a b Şarkı, Fangfang; Li, Xiaoqiong; Wang, Qun; Liao, Liqiong; Zhang, Chao (Ağustos 2015). "Nanokompozit Hidrojeller ve İlaç İletiminde ve Doku Mühendisliğinde Uygulamaları". Biyomedikal Nanoteknoloji Dergisi. 11 (1): 40–52. doi:10.1166 / jbn.2015.1962. PMID  26301299. Alındı 22 Ekim 2016.
  3. ^ Haraguchi, K .; Takehisa, T. (2002). "Wiley Çevrimiçi Kitaplığı". Gelişmiş Malzemeler. 14 (16): 1120. doi:10.1002 / 1521-4095 (20020816) 14:16 <1120 :: aid-adma1120> 3.0.co; 2-9. Alındı 22 Ekim 2016.
  4. ^ Haraguchi, Kazutoshi (22 Mayıs 2008). "Nanokompozit hidrojeller" (PDF).
  5. ^ Haraguchi, Kazutoshi (2007-09-01). "Nanokompozit Jeller: Yeni Gelişmiş Fonksiyonel Yumuşak Malzemeler". Makromoleküler Sempozyumlar. 256 (1): 120–130. doi:10.1002 / masy.200751014. ISSN  1521-3900.
  6. ^ Haraguchi, Kazutoshi (2007-06-01). "Nanokompozit hidrojeller". Katı Hal ve Malzeme Biliminde Güncel Görüş. 11 (3–4): 47–54. Bibcode:2007COSM..11 ... 47H. doi:10.1016 / j.cossms.2008.05.001.
  7. ^ a b Hamidi, Mehrdad; Azadi, Amir; Rafiei, Pedram (2008-12-14). "İlaç dağıtımında hidrojel nanopartiküller". Gelişmiş İlaç Teslimi İncelemeleri. 2008 Editörler Koleksiyonu. 60 (15): 1638–1649. doi:10.1016 / j.addr.2008.08.002. PMID  18840488.
  8. ^ Haraguchi, Kazutoshi; Li, Huan-jun; Şarkı Liyuan (2007). Khoo, Iam Choon (ed.). "Yumuşak, şeffaf, uyarıcıya duyarlı nanokompozit jellerin benzersiz optik ve fiziksel özellikleri". Sıvı Kristaller XI. 6654: 66540O. doi:10.1117/12.734714.
  9. ^ Xia, Mengge; Wu, Weijie; Liu, Fengwei; Theato, Patrick; Zhu, Meifang (2015/08/01). "Oligo (etilen glikol) metakrilatlar ve kilden oluşan ısıya duyarlı nanokompozit hidrojellerin şişme davranışı". Avrupa Polimer Dergisi. 69: 472–482. doi:10.1016 / j.eurpolymj.2015.03.072.
  10. ^ a b c Gaharwar, Akhilesh K .; Peppas, Nicholas A .; Khademhosseini, Ali (2014-03-01). "Biyomedikal uygulamalar için nanokompozit hidrojeller". Biyoteknoloji ve Biyomühendislik. 111 (3): 441–453. doi:10.1002 / bit.25160. ISSN  0006-3592. PMC  3924876. PMID  24264728.
  11. ^ Schmidt, Gudrun; Wu, Chia-Jung; Canter, Jamie M .; Dammu, Sandhya A .; Gaharwar, Akhilesh K. (2011). "Poli (etilen glikol) ve hidroksiapatit nanopartiküllerden son derece genişleyebilir, sağlam ve elastomerik nanokompozit hidrojeller". Biyomakromoleküller. 12 (5): 1641–1650. doi:10.1021 / bm200027z. PMID  21413708. Alındı 2015-11-09.
  12. ^ a b c Peppas, N .; Hilt, J. Z .; Khademhosseini, Biyoloji ve tıpta A. Hidrojeller: Moleküler İlkelerden Bionanoteknolojiye. Gelişmiş Malzemeler. [İnternet üzerinden] 2006, 18, 1345 - 1360. (erişim tarihi 4 Ekim 2015).
  13. ^ a b c Cirillo, G .; Hampel, S .; Spizzirri, U. Carbon Nanotubes Hybrid Hydrogels in Drug Delivery: A Perspective Review. Biomed Research International, Hindawi. [İnternet üzerinden] 2014 http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/825017/ (erişim tarihi 4 Ekim 2015).
  14. ^ a b c d e f g h Goncalves, C .; Periera, P .; Gama, M. İlaç Salım Uygulamaları için Kendi Kendine Birleştirilmiş Hidrojel nanopartiküller. Malzemeler. [İnternet üzerinden] 2010, 3, 1420-1460. http://www.mdpi.com/journal/materials (erişim tarihi 4 Ekim 2015).
  15. ^ a b 1) Nayak, S .; Lyon, L. Yumuşak Nanopartiküller ile Yumuşak Nanoteknoloji. Nanoteknoloji. [İnternet üzerinden] 2005, 44.47. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200501321/pdf (erişim tarihi 9 Ekim 2015).
  16. ^ Chandra Babu, A .; Prabhakar, M. N .; Suresh Babu, A .; Mallikarjuna, B .; Subha, M.C.S .; Chowdoji Rao, K. (2013). "Antibakteriyel Uygulamalar için Yarı IPN Gümüş Nanokompozit Hidrojellerin Geliştirilmesi ve Karakterizasyonu". Uluslararası Karbonhidrat Kimyası Dergisi. 2013: 1–8. doi:10.1155/2013/243695.