Nanotechnologia

W pierwszym artykule serii opowiedziałam Wam, czym są hydrożele i jakie są ich metody syntezy. Trójwymiarowe materiały zdolne do pochłaniania płynów można otrzymać na dwa różne sposoby: chemicznie oraz radiacyjnie. Każda z wymienionych metod daje nam produkt, który posiada swoje własne oblicze. Oblicze radiacyjne jest bardziej jednolite, czystsze i wytrzymałe. Oblicze chemiczne natomiast jest niepowtarzalne, mniej biokompatybilne oraz mniej kontrolowane.

Patrząc na same oblicza można dojść do wniosku, że przecież bardziej się opłaca inwestować w oblicze radiacyjne. Niemniej jednaka obie metody syntezy są ciągle stosowane, ponieważ niektóre zastosowania nie wymagają aż tak powtarzalnych i biokompatybilnych struktur hydrożelowych.

Zastosowaniem niewymagającym powtarzalności struktury są hydrożele zawierające nanocząstki zaprojektowane do bycia inteligentnym systemem dostarczania leków. Niektóre leki posiadają ładunek przeciwny do ładunku polimeru, z którego tworzony ma być hydrożel. Załóżmy, że lek jest ładunku ujemnego, a polimer dodatniego. Są one naturalnym przeciwieństwem. Życie codzienne niewiele różni się od chemii. Gdy spotykają się osoby o przeciwnych poglądach w powietrzu lecą iskry, a atmosferę można kroić nożem. Tak samo jest w przypadku chemii i gdy spotykają się substancje o ładunkach przeciwnych w powietrzu nie lecą iskry, ale roztwór zaczyna się żelować. W taki sposób powstają hydrożelowe struktury z zawartością. Hydrożel o konkretnym ładunku przyciąga do siebie lek o ładunku przeciwnym i zamyka go w sobie, tworząc tym samym system dostarczania leku. Inteligencja systemu polega na możliwości wybrania bodźca zewnętrznego, który aktywuje proces uwalniania leku. Może być to temperatura, pH środowiska wewnątrz organizmu albo nawet bodźce zewnętrzne tj. pole magnetyczne lub światło.

Zupełnie inaczej sytuacja przedstawia się w przypadku implantów tkanki kostnej, która złożona jest z dwóch faz. Zewnętrzna faza jest zbita i twarda, natomiast faza wewnętrzna jest miękka i gąbczasta. Kość jest rusztowaniem ludzkiego ciała, a rusztowanie ma strukturę powtarzalną. W końcu ciężko wchodziłoby się na rusztowanie, po którym nie idzie się w bok i w górę, tylko dziwnie na ukos. Dlatego do otrzymania implantu tkanki kostnej najlepiej sprawdzają się hydrożele utwardzone radiacyjnie. Materiałem wykorzystanym do wyprodukowania hydrożelu utwardzonego można wykorzystać chitozan, czyli związek pochodzący od chityny występującej w pancerzach wielu skorupiaków. Obce ciała wprowadzone do ludzkiego organizmu nie zawsze dobrze się przyjmują i wiele jest przypadków, że endoproteza lub implant zostają przez organizm odrzucone i może dojść do zakażenia, co skutkuje koniecznością przejścia na terapię antybiotykową. Chitozan jest rozsądnym wyborem na składnik hydrożelu, ponieważ występuje naturalnie, zatem jego biozgodność jest znacznie wyższa niż syntetycznych związków organicznych, co automatycznie zwiększa prawdopodobieństwo przyjęcia się implantu. Nasze kości nie są tylko z wapnia, lecz ze związku wapnia zwanego hydroksyapatytem. Żeby otrzymać potencjalny wypełniacz kostny należy wymieszać chitozan z hydroksyapatytem. Aby płynny hydrożel utwardzić, wprowadza się go do biodrukarki 3D, która drukuje metodą warstwa po warstwie strukturę kostną.

Jednakże materiały hydrożelowe najczęściej wykorzystywane są jako alternatywa dla bandaży klasycznych. Jedną z placówek zajmujących się opracowaniem opatrunków hydrożelowych jest Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie. Zespół badaczy pod przewodnictwem prof. Bożeny Tyliszczak od wielu lat pracuje nad wspomnianym rozwiązaniem. Jedną z chorób XXI wieku jest nowotwór skóry. Hydrożele opracowywane przez zespół z Politechniki mogą być stosowane zarówno jako terapia nowotworu skóry, jak i nowotworu piersi. Po wykonaniu mastektomii rany nie są w pełni zaleczone, gdy natychmiast trzeba przystąpić do terapii przeciwnowotworowej. Zarówno chemioterapia, jak i radioterapia, zwiększą znacząco tempo gojenia się ran po operacji. Dlatego hydrożele w formie plasterków, o których wspomniałam w poprzednim artykule sprawdzają się w tak trudnym przypadku. Nie dość, że nie podrażniają ran dodatkowo, to otrzymywane hydrożele można wzbogacić o ekstrakt z aloesu, więc nałożone na rany pooperacyjne bandaże hydrożelowe będą je dodatkowo koiły. Jednak nie jest to wykorzystanie pełni potencjału hydrożeli. Dlaczego można używać ich jako terapia przeciwnowotworowa?

Otrzymany hydrożel może zostać wykorzystany jako matryca, którą dodatkowo napełniamy lekiem. Niezaleczone w pełni rany po mastektomii zostają wykorzystane jako kanał dotarcia do epicentrum nowotworu, w którym znajduje się stan zapalny. Lek przeciwzapalny w kontakcie ze skórą zostaje uwolniony z hydrożelu i po wejściu do organizmu człowieka już można powiedzieć, że sam wie, gdzie dokładnie ma trafić. Koncepcja leczenia nowotworu skóry jest praktycznie identyczna, ponieważ nowotwór skóry składa się z dwóch części. Części zewnętrznej w postaci zmiany skórnej oraz części wewnętrznej, czyli właśnie ognisko nowotworu. Zmiana zewnętrzna może być usunięta tylko i wyłącznie chirurgicznie, co następnie wyklucza zastosowanie klasycznej terapii przeciwnowotworowej. Dokładnie jak w przypadku mastektomii i nowotworu piersi nakłada się na zmianę zewnętrzną usuniętą chirurgicznie plasterek hydrożelowy i lek sam uwalnia się do epicentrum nowotworu.

Puenta całego przeglądu jest zbliżona do puenty poprzedniej. Materiały hydrożelowe zupełnie jak superbohaterowie oblicz mają wiele. Nadal nie znamy wszystkich twarzy hydrożeli i można nawet rzec, że im więcej badań naukowcy im poświęcają, tym więcej możliwości wykorzystania się przed nami pokazuje. Nie pozostaje nam nic innego niż czekać, aż nasi współcześni, nieosobowi superbohaterowie odkryją wszystkie swoje karty i zbawią nasz świat.

Bibliografia:

• https://ichp.vot.pl/index.php/p/article/view/1445/1409
• Ratner, B. D., Hoffman, A. S., Schoen, F. J., & Lemons, J. E. (2012). Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. Elsevier
• Tang, Y., Zhao, Y., Li, Y. et al. A thermosensitive chitosan/poly(vinyl alcohol) hydrogel containing nanoparticles for drug delivery. Polym. Bull. 64, 791–804 (2010)
• https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.02.004
• http://dx.medra.org/10.14597/infraeco.2016.2.2.043
• https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/aa7b1d/meta