Исследование, проведенное под руководством Майкла МакШейна, профессора кафедры биомедицинской инженерии, специализирующегося на биоматериалах, и аспиранта Джейсона Робертса, опубликовано в Journal of Materials Chemistry B. В нем подробно описана разработка системы-носителя, в которую встроены микроскопические капсулы, которые действуют как крошечные резервуары для лекарств или даже датчиков, которые будут предупреждать человека в критических случаях, например, при изменении уровня сахара в крови.
Эта технология, отмечает МакШейн, дает исследователям высокую степень контроля над тем, что доставляется в организм, куда и когда доставляется и сколько доставляется.
По его словам, такая гибкость может сделать систему чрезвычайно полезным инструментом, когда дело доходит до адресной доставки лекарств.
В отличие от того, чтобы пациенты просто проглатывали таблетку, медицинские работники давно предполагали, что доставлять определенное количество лекарств в целевые участки тела, тем самым повышая эффективность лечения и уменьшая побочные эффекты. Для этого необходим своего рода «транспортное средство», которое безопасно и точно доставит лекарство в желаемое место внутри тела.
Команда МакШейна, в которую также входит аспирант Дастин Риттер, создает этот автомобиль, используя модифицированное желеобразное вещество, известное как гидрогель.
Гидрогель представляет собой полимерный сетчатый материал, который обычно является биосовместимым, что означает, что он позволяет клеткам в организме проводить нормальные физиологические процессы, не вызывая иммунного ответа со стороны хозяина. Из-за этого гидрогели широко используются в исследованиях тканевой инженерии, и их можно найти в ряде других приложений, чаще всего в качестве материала, из которого сделаны контактные линзы.
Хотя гидрогели не новы, те, которые используются в системе-носителе МакШейна, нетипичны; они были улучшены.
В частности, они заключены в крошечные капсулы, которые значительно меньше ширины человеческого волоса. Каждая из этих микрокапсул служит резервуаром или хранилищем для материалов, которые врачи и исследователи хотят доставить, например, лекарства.
Эти пористые микрочастицы диаметром несколько микрон состоят из кластеров наночастиц карбоната кальция, которые были намеренно сформированы вокруг определенного материала, чтобы удерживать его внутри, отмечает МакШейн.
Он объясняет, что после того, как желаемый материал оказывается в ловушке внутри микросферы, частицы оборачиваются несколькими слоями полимера. Это позволяет точно и настраивать контроль над тем, как микрокапсула будет высвобождать свое содержимое при взаимодействии с окружающей средой, объясняет МакШейн.
Система, по словам МакШейна, не ограничивается доставкой лекарств.
Фактически, он показал многообещающие результаты с биосенсорами. Он объясняет, что в таких случаях микрокапсулы несут полезную нагрузку, такую как белок, который реагирует на что-то в организме, что врачи хотят измерить. По его словам, этот измеримый материал может проникать в гидрогель и в капсулы, где он вызывает определенные оптические изменения.
Например, МакШейн смог вызвать изменение цвета материала (наблюдаемое с помощью считывающего устройства) при изменении уровня pH и кислорода или при колебаниях уровня сахара в крови. Эта работа может превратиться в более безопасные и эффективные способы для людей, например, страдающих диабетом, контролировать свое состояние.
«Посредством химии мы можем разработать эти микрокапсулы так, чтобы то, что мы помещаем в них, оставалось внутри них или то, что мы помещаем в них, высвобождалось, когда мы хотим, чтобы оно высвобождалось – все сразу или постепенно», – говорит он.
МакШейн отмечает, что микрокапсулы также играют еще одну важную роль в системе – помогая преобразовать гидрогель из жидкости в гель, когда он попадает в организм. Для простоты применения система-носитель МакШейна начинается с жидкости с крошечными твердыми взвешенными частицами. Это позволяет вводить его в желаемое место, транспортируя микрокапсулы и их содержимое.
Управляя химическими реакциями, происходящими между микрокапсулами и гидрогелем, такими как высвобождение кальция при растворении частиц, МакШейн и его команда могут контролировать, насколько быстро их система превращается в гель.
Это важно, потому что гидрогель помогает зафиксировать микрокапсулы в правильном месте, а также действует как буфер между ними и внутренней средой организма.
МакШейн объясняет, что без гелеобразования системы-носителя микрокапсулы могут абсорбироваться лимфатической системой, разрушаться организмом и удаляться до того, как они смогут выпустить свое содержимое, или же они могут мигрировать из целевого места.
«По сути, наш материал начинается с жидкости, в которой взвешено множество микросфер, и мы можем впрыснуть ее», – говорит он. "Затем он станет гелем, куда бы мы его ни вводили, принимая форму формы, в которую его поместили.
Эта форма может быть тем, что мы разработали, чтобы придать ей определенную форму, или это может быть пустота в ткани, которую мы пытаемся заполнить материалом.
«Комбинация контроля гелеобразования и последующего контроля за функционированием микрокапсул делает эту систему уникальной и жизнеспособной для различных областей применения."