СУЧАСНІ ТРЕНДИ ВИКОРИСТАННЯ «РОЗУМНИХ» БІОЛОГІЧНО-АКТИВНИХ ГІДРОГЕЛІВ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2025.02.08Ключові слова:
біологічно-активні, гідрогелі, «розумні», властивості, застосування, медицина, фармація, 3D-біодрукАнотація
У статті здійснено комплексний аналіз сучасних тенденцій у дослідженні та застосуванні «розумних» біологічно-активних гідрогелів — інноваційних полімерних матеріалів, здатних змінювати свої фізико-хімічні властивості у відповідь на зовнішні стимули. Такі гідрогелі є ключовими компонентами в розвитку біомедичних технологій, зокрема в адресній доставці лікарських засобів, тканинній інженерії, хіміотерапії, біосенсориці та 3D-біодруці. У роботі розглянуто класифікацію «розумних» гідрогелів за типом зшивання (хімічне та фізичне), походженням (природне чи синтетичне), а також за типом зовнішніх подразників — фізичних (температура, світло, електричне або магнітне поле) та хімічних (pH, іонна сила, концентрація речовин). Особливу увагу приділено термочутливим гідрогелям, які демонструють фазові переходи залежно від температури, що дозволяє використовувати їх як носії для контрольованого вивільнення лікарських речовин. Описано механізми переходу між розчинним і нерозчинним станами, зокрема при досягненні нижньої критичної температури розчину (НКТР) або верхньої критичної температури розчину (ВКТР). У статті наведено приклад створення діагностично-терапевтичної системи на основі термочутливого терполімеру, який включає акриламід, N-ізопропілакриламід та N-акрилоїлоксифталімід, з іммобілізованим ферментом трипсином. Така система дозволяє локалізувати лікарську речовину у хворому органі за рахунок температурно-індукованого фазового переходу, що забезпечує не лише терапевтичний ефект, а й діагностичну функцію. Окремий розділ присвячено застосуванню «розумних» гідрогелів у 3D-біодруці. Розглянуто основні типи матеріалів, що використовуються як біочорнила: GelMa (желатин метакрилат), альгінат натрію, плуронік F-127, модифіковані форми желатину та позаклітинні матриці (dECM). Визначено їхні біосумісні, механічні та структурні властивості, що дозволяють створювати складні тканинні конструкції з високим ступенем точності та функціональності. Узагальнено перспективи використання «розумних» гідрогелів у фармацевтичній галузі, зокрема для пролонгованої доставки ліків, зменшення токсичності, підвищення ефективності терапії та створення систем з зворотним зв’язком. Підкреслено важливість подальших досліджень у напрямку розробки багатофункціональних гідрогелевих систем з високою біостабільністю, адаптивністю та можливістю масштабного виробництва.
Посилання
Samal S. K., Dash M., Dubruel P., Van Vlierberghe S. Smart polymer hydrogels: properties, synthesis and applications. Smart polymers and their applications. 2014. Р. 237–270. https://doi.org/10.1533/9780857097026.1.237.
Zheng H., Xing L., Cao Y., Che S. Coordination bonding based pH-responsive drug delivery systems. Coordination Chemistry Reviews. 2013. Vol. 257(11-12). P. 1933–1944. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2013.03.007.
Lee S. C., Kwon I. K., Park K. Hydrogels for delivery of bioactive agents: a historical perspective. Advanced drug delivery reviews. 2013. Vol. 65(1). P. 17–20. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.07.015.
Hilmi B., Hamid Z.A.A., Akil H.M., Yahaya B.H. The characteristics of the smart polymeras temperature or pH-responsive hydrogel. Procedia Chem. 2016. Vol. 19. P. 406–409. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.031.
Galaev I.Y., Mattiasson B. Thermoreactive water-soluble polymers, nonionic surfactants, and hydrogels as reagents in biotechnology. Enzym. Microb. Technol. 1993. Vol. 15. P. 354–366. https://doi.org/10.1016/0141-0229(93)90122-I
Nabil A., Yoshihara E., Hironaka K., Hassan A.A., Shiha G., Ebara M. Temperature responsive smart polymer for enabling affinity enrichment of current coronavirus (SARS-CoV-2) to improve its diagnostic sensitivity. Comput. Struct. Biotechnol. J. 2021. Vol. 19. P. 3609–3617. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.06.016
Singh S., Webster D.C., Singh J. Thermosensitive polymers: synthesis, characterization, and delivery of proteins. Int. J. Pharm., 2007. Vol. 341. P. 68–77. https://doi.org/ 10.1016/ j.ijpharm.2007.03.054.
Kotsuchibashi Y. Recent advances in multi-temperature-responsive polymeric materials. Polym. J., 2020. Vol. 52. P. 681–689. https://doi.org/10.1038/s41428-020-0330-0.
Qiu Y., Park K. Environment-sensitive hydrogels for drug delivery. Advanced drug delivery reviews. 2001. Vol. 53(3), 321–339. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.09.024.
Qiao S., Wang H. Temperature-responsive polymers: synthesis, properties, and biomedical applications. Nano Res. 2018. Vol. 11. P. 5400–5423. https://doi.org/10.1007/s12274-018-2121-x.
Mendes P.M. Stimuli-responsive surfaces for bio-applications. Chem. Soc. Rev. 2008. Vol. 37. P. 2512. https://doi.org/10.1039/b714635n.
Hoogenboom R. Temperature-responsive polymers: properties, synthesis and applications. Smart Polym. Their Appl. 2014. P. 15–44. https://doi.org/10.1533/9780857097026.1.15.
Na K., Lee K.H., Lee D.H., Bae Y.H. Biodegradable thermo-sensitive nanoparticles from poly(l-lactic acid)/poly(ethylene glycol) alternating multi-block copolymer for potential anti-cancer drug carrier. Eur. J. Pharmaceut. Sci. 2006. Vol. 27. P. 115–122. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2005.08.012
Choi S., Baudys M., Kim S.W. Control of blood glucose by novel GLP-1 delivery using biodegradable triblock copolymer of PLGA-PEG-PLGA in type 2 diabetic rats. Pharm. Res. 2004. Vol. 21. P. 827–831. https://doi.org/10.1023/B:PHAM.0000026435.27086.94.
Chen Z., Cui B., Guo X. et al. Fabrication and characterization of Pickering emulsions stabilized by desalted duck egg white nanogels and sodium alginate. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2021. Vol. 102(3). P. 949–956. https://doi.org/10.1002/jsfa.11427.
Zaharia M.-M., Bucatariu F., Karayianni M., Lotos E.-D., Mihai M., Pispas S. Synthesis of Thermoresponsive Chitosan-graft-Poly(N-isopropylacrylamide) Hybrid Copolymer and Its Complexation with DNA. Polymers. 2024. Vol. 16. P. 1315. https://doi.org/10.3390/polym16101315.
Decante G., Costa J.B., Silva-Correia J., Collins M.N., Reis R.L., Oliveira J.M. Engineering bioinks for 3D bioprinting. Biofabrication. 2021. Vol. 13(3). P. 032001. https://doi.org/10.1088/1758-5090/abec2c.
Yang P., Ju Y., Hu Y., Xie X., Fang B., Lei L.Emerging 3D bioprinting applications in plastic surgery. Biomater. Res. 2023, Vol. 27(1). P. 1. https://doi.org/10.1186/s40824-022-00338-7
Shi Y., Xing T.L., Zhang H.B., Yin R.X., Yang S.M., Wei J., Zhang W.J.Tyrosinase-doped bioink for 3D bioprinting of living skin constructs. Biomed. Mater. 2018. Vol. 13(3). P. 035008. https://doi.org/10.1088/1748-605X/aaa5b6.
Mangani S., Vetoulas M., Mineschou K., Spanopoulos K., Vivanco M.d., Piperigkou Z., Karamanos N.K. Design and Applications of Extracellular Matrix Scaffolds in Tissue Engineering and Regeneration. Cells. 2025 Vol. 14. P. 1076. https://doi.org/10.3390/cells14141076.
