ВСТУПЛЕНИЕ
В последние годы в повседневной жизни появилось много новых полимерных материалов, к их числу относятся и полимерные гели. Еще 20-30 лет назад мало кто о них слышал, а сегодня они уже прочно вошли в наш быт и используются как наполнители в подгузниках, гигиенических салфетках, мягких стельках, принимающих форму стопы, и т.д. Чем могут быть интересны уже ставшие тривиальными материалы и почему ими продолжают заниматься ученые?
ГИДРОГЕЛИ
Полимерные гели представляют собой набухшие в растворителе длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями (сшивками) в единую пространственную сетку. Такие гидрогели способны поглощать и удерживать в себе огромное количество воды: до 2 кг на 1 г сухого полимера. Благодаря этому свойству их называют молекулярными губками. Столь высокая способность поглощать воду характерна для полиэлектролитных гелей, т.е. гелей, содержащих заряженные группы. Почему именно эти гели способны поглощать много воды?
В водной среде они диссоциируют с образованием заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов так же, как молекулы соли распадаются в воде на катионы и анионы. Однако при диссоциации в молекуле полимера ионы одного заряда, например положительные, остаются связанными с цепью, а отрицательные (т.е. противоионы) оказываются в свободном состоянии, в растворителе (см. рис.1). Звенья полимерной сетки, одноименно заряженные, отталкиваются друг от друга, и потому цепи, исходно свернутые в клубки, сильно вытягиваются. В результате образец геля значительно увеличивается в размерах, т.е. набухает, поглощая растворитель.
Низкомолекулярные противоионы тоже играют существенную роль в набухании. Они свободно перемещаются в растворителе внутри геля, иначе говоря, приобретают трансляционную энтропию. Но покинуть его они не могут, так как это приведет к нарушению электронейтральности. Таким образом, поверхность образца геля оказывается непроницаемой для противоионов. Будучи запертыми внутри, они стараются занять как можно больший объем, чтобы получить существенный выигрыш в энтропии трансляционного движения. В результате создается “распирающее” осмотическое давление, вызывающее значительное набухание геля, подобно тому, как давление газа “надувает” воздушный шар. Итак, сильное набухание полиэлектролитных гелей в воде обусловлено как электростатическим отталкиванием одноименно заряженных звеньев, так и осмотическим давлением противоионов. Если количество заряженных звеньев невелико, гель в основном набухает за счет осмотического давления противоионов.
Из-за огромного количества растворителя в набухших гелях возможны фазовые переходы. Как правило, они вызваны усилением притяжения между звеньями сетки, что приводит к вытеснению растворителя из геля в наружный раствор. В итоге объем геля скачкообразно уменьшается в сотни раз. Столь значительное изменение видно невооруженным глазом.
Резкое уменьшение объема геля при небольшом изменении внешних условий называется коллапсом. Силы притяжения, которые его вызывают, в водных средах обычно обусловлены гидрофобными взаимодействиями или водородными связями. Как только какой-то внешний фактор (например, температура, состав растворителя, рН и т.д.) делает преобладающими силы притяжения, переход геля в сколлапсированное состояние становится неизбежным.
Таким образом, полимерные гели, находящиеся “на пороге” коллапса, могут чрезвычайно резко и обратимо изменять свой объем в ответ на небольшие изменения параметров среды. Благодаря этому такие гели называют восприимчивыми (responsive gels), или по-другому - умными материалами (smart or intelligent materials), т.е. материалами, способными реагировать на небольшие изменения во внешней среде заранее запрограммированным образом.
В зависимости от воздействия, которое вызывает коллапс, восприимчивые гели можно разделить на термо-, фото- и рН-чувствительные. Последние представляют особый интерес.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОГЕЛЕЙ
Восприимчивые к рН гели содержат группы слабой кислоты или слабого основания, способные к ионизации при изменении кислотности внешнего раствора. Будучи незаряженными, эти умные материалы находятся в сколлапсированном состоянии, ионизация же вызывает их набухание из-за электростатического отталкивания одноименно заряженных звеньев и “распирающего” осмотического давления противоионов. Понятно, что гидрогели с кислотными группами набухают в щелочной среде и коллапсируют в кислой, где ионизация подавлена, а если содержат основные группы, то, напротив, набухают в кислой среде и коллапсируют при повышении рН.
Лекарственные вещества уже давно стали помещать в полимерные матрицы, чтобы препарат медленно выделялся из носителя и оказывал благодаря этому пролонгированное действие. Гели, восприимчивые к рН, можно использовать не только для той же цели, но и для направленной доставки лекарства. Чтобы ввести его в гелевый носитель, достаточно поместить образец геля в раствор лекарственного вещества (в том числе и такого крупного, как белок), и оно окажется внутри полимерной матрицы. Затем гель высушивают (удаляют растворитель), и тогда он становится лекарственной формой. Если этот “контейнер” снова поместить в растворитель, лекарственное вещество будет выделяться, причем тем быстрее, чем больше степень набухания геля (т.е. чем сильнее раскрыты его поры). Так полимерная матрица контролирует скорость выделения лекарства. Но, кроме того, она может обеспечить его доставку непосредственно к тому участку организма, который нуждается в препарате.
Создавая системы направленного транспорта лекарственных веществ, специалисты учитывают, что разные отделы пищеварительного тракта человека сильно различаются кислотностью. Например, в желудке кислая среда (рН 1.4), в кишечнике - близкая к нейтральной (рН 6.7-7.4). Чувствительный к рН гель с лекарством, попав в организм, отдаст содержимое там, где он набухнет. Благодаря таким свойствам для направленного транспорта лекарственного вещества в желудок можно использовать гели, содержащие группы слабого основания и поэтому набухающие в кислой среде желудка, например, гель на основе N,N-диметиламиноэтилметакрилата. Кроме того, такие гели могут служить еще и в качестве защитной оболочки. Они сколлапсированы при нейтральных рН во рту и тем самым предотвращают растворение лекарственного вещества в слюне, избавляя больного от неприятного вкуса горького лекарства (taste-masking application).
Гели на основе слабой кислоты набухают в щелочной среде,а в желудке при рН 1.4 они сохраняют лекарственное вещество внутри себя. Тем самым препарат не испытывает вредного воздействия столь высокой кислотности, а кроме того, и слизистая желудка не подвергается нежелательному воздействию лекарства. Попав в кишечник (рН 6.7-7.4), гель набухает и выделяет там вещество.
Подобные гели особенно важны при лечении таких болезней, как панкреатит. Обычно больные вынуждены постоянно употреблять ферменты, чтобы облегчить переваривание и усвоение пищи в тонком кишечнике. В настоящее время для лечения этой болезни используются лекарственные препараты, содержащие фермент амилазу. Однако в исследованиях установлено, что только малая его доля (<10%) достигает кишечника в активном состоянии. Причина этого - инактивация фермента в сильно кислой среде желудка. Если же амилаза спрятана в гидрогеле, она может там находиться без ущерба для активности.
Не менее важны восприимчивые к pH гидрогели и в тех случаях, когда больные принимают противовоспалительное средство индометацин. Здесь уже приходится защищать желудок от агрессивного лекарства - оно способно даже привести к разрушению ткани желудка. Гель полностью предотвращает выделение индометацина в желудке и тем спасает больного от дополнительных неприятностей.
Таким образом, рН-чувствительные гели не только выполняют функцию матрицы, которая дозированно выделяет лекарство в определенном отделе пищеварительного тракта, но и служат защитной оболочкой.
Протекающие в организме патологические процессы, как правило, связаны с изменением рН, температуры, концентрации конкретных веществ. Поэтому появляется возможность создавать системы с обратной связью, когда возникшие отклонения от нормы инициируют выделение лекарственного препарата. Создание подобного рода саморегулирующегося лекарства крайне необходимо для больных сахарным диабетом. Гидрогели вполне подходят для такой цели в качестве искусственной поджелудочной железы, которая выделяет инсулин в ответ на изменения концентрации глюкозы. Некоторые успехи в этом уже достигнуты. Сначала рН-чувствительный гель с группами слабого основания насыщают инсулином, а затем иммобилизуют фермент глюкозооксидазу. Когда глюкоза диффундирует из внешнего раствора в гидрогель, глюкозооксидаза окисляет ее до глюконовой кислоты, которая вызывает ионизацию геля и его набухание. Оно в свою очередь “раскрывает” поры геля и способствует выходу из него инсулина. Чем больше глюкозы в крови, тем больше инсулина выделяется из геля.
Дальнейший прогресс в создании саморегулирующихся лекарств, в частности, требует разработки способов получения гидрогелей, которые переходили бы из сколлапсированного состояния в набухшее при разных значениях рН. Это позволило бы более тонко контролировать как место, так и скорость выделения лекарственного препарата.
ВЫВОД
Современная жизнь невозможна без многих полимерных материалов,в том числе и без гидрогелей. Кроме того,что они используются в медицине как основа многих лекарств,они используются и в легкой промышленности, и для сельского хозяйства,как «спаситель» от засухи.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. М., 1989.
2. Хохлов А.Р., Дормидонтова Е.Е. // Успехи физ. наук. 1997. Т.167. №2. С.113-128.
3. Хохлов А.Р. // Соросовский образовательный журнал. 1998. №11. С.138-142.
4. Филиппова О.Е. // Высокомолек. соед., серия С. 2000. Т.42. №12. С.2328-2352.
5. Галаев Ю.В. // Успехи химии. 1995. Т.64. №5. С.505-524.
6. Philippova O.E., Andreeva A.S., Khokhlov A.R. et al. // Langmuir. 2003. V.19. №18. P.7240-7248.