Hidrogéis nanocompósitos - Nanocomposite hydrogels
Os hidrogéis nanocompósitos ( géis NC ) são redes poliméricas hidratadas preenchidas com nanomateriais que exibem maior elasticidade e resistência em relação aos hidrogéis feitos tradicionalmente . Uma variedade de polímeros naturais e sintéticos são usados para projetar redes de nanocompósitos. Ao controlar as interações entre nanopartículas e cadeias de polímero , uma gama de propriedades físicas, químicas e biológicas pode ser projetada. A combinação da estrutura orgânica (polímero) e inorgânica (argila) dá a esses hidrogéis propriedades físicas, químicas, elétricas, biológicas e de intumescimento / desinchamento aprimoradas que não podem ser alcançadas por nenhum dos materiais isoladamente. Inspirados por tecidos biológicos flexíveis, os pesquisadores incorporam nanomateriais à base de carbono, poliméricos, cerâmicos e / ou metálicos para dar a esses hidrogéis características superiores, como propriedades ópticas e sensibilidade a estímulos, que podem ser muito úteis para a área médica (especialmente administração de drogas e engenharia de células-tronco) e campos mecânicos.
Os hidrogéis nanocompósitos não devem ser confundidos com o nanogel , uma nanopartícula composta por um hidrogel.
Síntese
A síntese de hidrogéis nanocompósitos é um processo que requer material e método específicos. Esses polímeros precisam ser feitos de plaquetas de argila com 30 nm de diâmetro, igualmente espaçadas, que podem inchar e esfoliar na presença de água. As plaquetas agem como ligações cruzadas para modificar as funções moleculares para permitir que os hidrogéis tenham elasticidade e resistência superiores que se assemelham às do tecido biológico. Usar plaquetas de argila que não incham ou esfoliam na água, usando um reticulador orgânico, como N, N-metilenobisacrilamida (BIS), mistura de argila e BIS ou preparação de hidrogéis nanocompósitos em um método diferente de reticulação, será mal sucedido.
Apesar de todas as especificações, o processo de sintetizar hidrogéis nanocompósitos é simples e devido à natureza flexível do material, esses hidrogéis podem ser facilmente fabricados em diferentes formatos, como blocos enormes, folhas, filmes finos, hastes, tubos ocos, esferas , foles e folhas irregulares.
Propriedades
Mecânico
Os hidrogéis nanocompósitos são resistentes e podem resistir a esticamentos, dobras, nós, esmagamento e outras modificações.
Tração
Os testes de tração foram realizados em hidrogéis nanocompósitos para medir a tensão e a deformação que ela experimenta quando alongada sob a temperatura ambiente. Os resultados mostram que este material pode ser alongado em até 1000% de seu comprimento original.
Compressão
A histerese é usada para medir as propriedades de compressão de hidrogéis nanocompósitos, o que mostra que esse material pode suportar cerca de 90% de compressão. Esses dados mostram que os hidrogéis nanocompósitos exibem resistência superior em relação aos hidrogéis feitos convencionalmente , que teriam se quebrado sob menos compressão.
Sensibilidade a inchaço e estímulo
Edema, dechaço
A rede porosa de partículas de argila permite que os hidrogéis nanocompósitos inchem na presença de água. O intumescimento (e de-inchaço) distingue os géis NC dos hidrogéis feitos convencionalmente (géis OR), pois é uma propriedade que falta aos géis OR. A propriedade de intumescimento dos géis NC permite que eles coletem a solução aquosa circundante em vez de serem dissolvidos por ela, o que os torna bons candidatos para transportadores de drogas.
Sensibilidade a estímulos
Observou-se que os hidrogéis nanocompósitos são sensíveis à temperatura e mudam de temperatura quando seu ambiente é alterado. Os sais inorgânicos, quando absorvidos, resultarão na mudança dos hidrogéis para uma temperatura mais baixa, enquanto o surfactante catiônico mudará a temperatura para o outro lado. A temperatura desses hidrogéis gira em torno de 40 graus Celsius, o que os torna um possível candidato para uso como biomaterial. A sensibilidade ao estímulo dos hidrogéis permite um sistema de liberação responsivo, onde os hidrogéis podem ser projetados para fornecer a droga em resposta às mudanças nas condições do corpo.
Tipos
Via nanomateriais à base de carbono
Hidrogéis nanocompósitos que são reforçados com nanomateriais à base de carbono são mecanicamente resistentes e eletricamente condutores, o que os torna adequados para uso em biomedicina, engenharia de tecidos, administração de drogas, biossensor , etc. A propriedade de condução elétrica desses hidrogéis permite que eles imitem a característica de tecidos nervosos, musculares e cardíacos. No entanto, embora esses hidrogéis nanocompósitos demonstrem algumas funções do tecido humano em ambientes de laboratório, mais pesquisas são necessárias para garantir sua utilidade como substituto de tecido.
Via nanopartículas poliméricas
Hidrogéis nanocompósitos incorporados com nanopartículas poliméricas são feitos sob medida para entrega de drogas e engenharia de tecidos. A adição de nanopartículas poliméricas dá a esses hidrogéis uma rede polimérica reforçada que é mais rígida e tem a capacidade de envolver drogas hidrofílicas e hidrofóbicas junto com genes e proteínas. A alta propriedade de absorção de estresse os torna um candidato potencial para a engenharia de tecidos de cartilagem.
Via nanopartículas inorgânicas
A maioria das nanopartículas inorgânicas usadas para hidrogéis nanocompósitos já estão presentes e são necessárias para o corpo e, portanto, não apresentam impactos negativos no corpo. Alguns deles, como o cálcio e o silício, ajudam a prevenir a perda óssea e o desenvolvimento do esqueleto. Outros, como as nanoargilas, melhoram a formação estrutural e as características dos hidrogéis, onde adquirem propriedades autocurativas, estruturas retardantes de chama, elasticidade, membrana de super barreira a gases, repelência a óleo, etc. As propriedades únicas obtidas pela incorporação de hidrogéis nanocompósitos com nanopartículas inorgânicas permitirá que os pesquisadores trabalhem na melhoria da engenharia de tecidos relacionados aos ossos.
Via nanopartículas de metal e óxido de metal
A condutividade elétrica e térmica e a propriedade magnética dos metais aumentam a condutividade elétrica e a propriedade antibacteriana dos hidrogéis nanocompósitos quando incorporados. A propriedade de condução elétrica é necessária para que os hidrogéis comecem a formar tecidos funcionais e sejam usados como agentes de imagem, sistemas de entrega de drogas, andaimes condutores, eletrônicos comutáveis, atuadores e sensores.
Formulários
Os pesquisadores estão procurando um material que possa imitar as propriedades do tecido para tornar o processo de engenharia de tecidos mais eficaz e menos invasivo para o corpo humano. A rede porosa de interconexão de hidrogéis nanocompósitos, criada por meio de ligações cruzadas, permite que resíduos e nutrientes entrem e saiam facilmente da estrutura, e suas propriedades elastoméricas permitem que eles adquiram a forma anatômica desejada sem a necessidade de moldagem prévia. A estrutura porosa desse material também tornaria o processo de administração do medicamento mais fácil, onde os compostos farmacêuticos presentes no hidrogel podem escapar facilmente e ser absorvidos pelo corpo. Além disso, os pesquisadores também estão considerando a incorporação de hidrogéis nanocompósitos com nanopartículas de prata para aplicações antibacterianas e eliminação de microorganismos em embalagens médicas e de alimentos e tratamento de água. Os hidrogéis infundidos com nanopartículas têm várias aplicações biológicas, incluindo: engenharia de tecidos, detecção química e biológica e entrega de drogas e genes.
Engenharia de tecidos
Como substituições de tecidos, os hidrogéis nanocompósitos precisam interagir com as células e formar tecidos funcionais. Com as nanopartículas e nanomateriais incorporados, esses hidrogéis podem imitar as propriedades físicas, químicas, elétricas e biológicas da maioria dos tecidos nativos. Cada tipo de hidrogéis nanocompósitos tem suas próprias propriedades únicas que o permitem imitar certos tipos de tecido animal.
Entrega de drogas
O surgimento de hidrogéis nanocompósitos permite uma entrega mais específica do local e controlada por tempo de medicamentos de diferentes tamanhos com maior segurança e especificidade. Dependendo do método de inserção de drogas no material, por exemplo, dissolvido, encerrado ou ligado, o carreador da droga será denominado de forma diferente: nanopartículas, nanoesferas (onde a droga é uniformemente dispersa ao longo da rede polimérica) ou nanocápsulas (onde a droga é envolvida por uma estrutura de revestimento de polímero). A natureza elastomérica deste material permite que os hidrogéis obtenham a forma do local alvo e, portanto, os hidrogéis podem ser fabricados de forma idêntica e usados em todos os pacientes.
Os hidrogéis são agentes de liberação controlada de drogas que podem ser projetados para terem as propriedades desejadas. Especificamente, os hidrogéis podem ser projetados para liberar drogas ou outros agentes em resposta às características físicas do ambiente, como temperatura e pH. A capacidade de resposta dos hidrogéis é resultado de sua estrutura molecular e redes poliméricas.
Nanopartículas de hidrogel têm um futuro promissor no campo de distribuição de drogas. Idealmente, os sistemas de entrega de drogas devem, “… maximizar a eficácia e a segurança do agente terapêutico, entregando uma quantidade apropriada em uma taxa adequada e no local mais apropriado no corpo”. A nanotecnologia incorporada aos hidrogéis tem o potencial de atender a todos os requisitos de um sistema ideal de distribuição de medicamentos. Os hidrogéis foram estudados com uma variedade de nanocompósitos, incluindo: argila, ouro, prata, óxido de ferro, nanotubos de carbono, hidroxiapatita e fosfato tricálcico.
Nanopartículas, em grande parte devido às suas propriedades físicas relacionadas ao tamanho, são altamente úteis como agentes de distribuição de drogas. Eles podem superar barreiras fisiológicas e atingir alvos específicos. O tamanho, a carga superficial e as propriedades das nanopartículas permitem que elas penetrem nas barreiras biológicas que a maioria dos outros portadores de drogas não consegue. Para se tornar ainda mais especificado, as nanopartículas podem ser revestidas com ligantes de direcionamento. A capacidade das nanopartículas de entregar drogas a alvos específicos sugere o potencial de limitar os efeitos colaterais sistêmicos e as respostas imunológicas.
A capacidade das nanopartículas de transportar e liberar drogas também depende muito das características que resultam do tamanho pequeno e da proporção única entre a área de superfície e o volume das nanopartículas. As nanopartículas geralmente podem transportar drogas de duas maneiras: as drogas podem ser ligadas ao exterior das nanopartículas ou empacotadas dentro da matriz polimérica das nanopartículas. Nanopartículas menores têm proporções de área de superfície maiores e, portanto, podem se ligar a uma grande quantidade de medicamento, enquanto nanopartículas maiores podem encapsular mais do medicamento em seu núcleo. O melhor método de carregamento de droga depende das estruturas da droga a ser ligada. Além disso, o carregamento da droga pode ocorrer conforme as nanopartículas são produzidas, ou as drogas podem ser adicionadas a nanopartículas pré-existentes. A liberação de drogas depende muito do tamanho da nanopartícula que a carrega. Como as nanopartículas podem ser ligadas à superfície das nanopartículas, que é grande em relação ao volume das partículas, os medicamentos podem ser liberados rapidamente. Em contraste, as drogas que são carregadas nas nanopartículas são liberadas mais lentamente.
Aplicações antibacterianas
Nanopartículas de prata são inseridas nas redes poliméricas 3D de hidrogéis nanocompósitos para aplicações em atividade antibacteriana e melhoria na condutância elétrica. A presença de íons de prata impede que a enzima respiratória transfira elétrons para moléculas de oxigênio durante a respiração ou evita que as proteínas reajam com grupos tiol (-SH) na membrana da bactéria, ambos resultam na morte de bactérias e microorganismos sem danificar as células de mamíferos. O tamanho dessas nanopartículas de prata precisa ser pequeno o suficiente para passar através da membrana celular e, portanto, mais pesquisas são necessárias para fabricá-las em tamanhos apropriados.
Preocupações
Algumas preocupações relacionadas aos hidrogéis infundidos com nanopartículas são as chances de estouro ou de liberação incompleta dos medicamentos. Embora os hidrogéis infundidos com nanopartículas sejam especulados como métodos bastante promissores de entrega de drogas, proteínas, peptídeos, oligossacarídeos, vacinas e ácidos nucléicos, mais estudos sobre nanotoxicologia e segurança são necessários antes que aplicações clínicas possam ser realizadas. Além disso, para evitar o acúmulo, géis e nanopartículas biodegradáveis são altamente desejáveis.