Charakterystyka hydrożeli i wykorzystanie w medycynie

Hydrożele to układy, których rozwój następuje od lat 60. XX w., kiedy opracowana została metoda wytwarzania soczewek kontaktowych. Są układami rozproszonymi ciecz-ciało stałe, w których fazą rozproszoną jest ciecz, a fazą ciągłą – trójwymiarowe sieci, stworzone z długołańcuchowych, elastycznych polimerów. Mimo stosunkowo niedawnego odkrycia ich zastosowań, hydrożele są obecne na Ziemi od początku istnienia życia w postaci bakteryjnych biofilmów oraz struktur roślinnych.

W sprzyjających warunkach hydrożele mogą zgromadzić ogromne ilości wody lub innych płynów biologicznych i uwięzić je w swoich polimerowych strukturach. Ich właściwości zależne są od polimeru, który będzie stanowić fazę ciągłą. Zastosowanie poliwinylopirolidonu (PVP) umożliwia znaczące zwiększenie zwilżalności i stabilności, natomiast hydrożele z tym polimerem odznaczają się niską wytrzymałością mechaniczną i termiczną. Z kolei poli(N-izopropyloakryloamid) (PNIPAM) znacząco poprawia wytrzymałość mechaniczną hydrożeli oraz ich biokompatybilność, jest jednak w niewielkim stopniu cytotoksyczny. Istnieją również polimery naturalne, zdolne do tworzenia hydrożeli. Należą do nich m.in. skrobia, żelatyna i chitozan. Ich główną zaletą jest brak toksycznego wpływu na komórki oraz biokompatybilność. Największą trudnością w wytwarzaniu hydrożeli jest osiągnięcie układu, który będzie niewrażliwy na zmiany temperatury, wytrzymały mechanicznie i chemicznie, a przede wszystkim – nie będzie toksyczny dla organizmu. Hydrożele muszą charakteryzować się też wysoką porowatością i zdolnością do zatrzymywania dużych objętości cieczy. Możliwe jest jednak łączenie polimerów syntetycznych i naturalnych, np. chitozanu i alkoholu poliwinylowego (PVA), dzięki czemu poprawie ulegają właściwości mechaniczne hydrożeli, przy zachowaniu innych pożądanych cech.

Pod wpływem zmian w ciele człowieka, takich jak pH, temperatura czy obecność enzymów, hydrożele mogą zachowywać się w sposób identyczny, jak tkanka organizmu. Z tego względu stosuje się je zarówno jako materiał do wytwarzania sprzętów medycznych, wchodzących w kontakt z ciałem człowieka, jak i elementów, znajdujących się wewnątrz organizmu. Zdolność hydrożeli do przekształcania bodźców elektrochemicznych w pracę mechaniczną wykorzystuje się do opracowania sztucznych mięśni. Wytwarzane są z nich również sztuczne organy oraz urządzenia diagnostyczne. Opracowane zostały cewniki hydrożelowe, które zapewniają lepszy poślizg, zapobiegają gromadzeniu się bakterii i zwiększają biokompatybilność, w porównaniu z konwencjonalnymi odpowiednikami. Duża powierzchnia właściwa hydrożeli sprawia, że są wykorzystywane także jako nośniki substancji. Naukowcy dowiedli, że wykonywanie testów alergicznych przy użyciu hydrożelu, wykonanego z metylocelulozy i PEG (glikolu polietylenowego), znacząco zmniejsza skutki uboczne, jakimi są podrażnienia i otarcia skóry. Ogromne znaczenie ma też możliwość kontrolowanego uwalniania substancji za pomocą hydrożeli. Istnieją układy, reagujące na pH w organizmie, dzięki którym możliwe jest stopniowe i kontrolowane uwalnianie insuliny, co jest ważne dla chorujących na cukrzycę.

Najbardziej znanym zastosowaniem hydrożeli są jednak opatrunki, zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne. W porównaniu z konwencjonalnymi opatrunkami hydrożele mają zdolność pochłaniania nadmiernych wysięków z ran, przy jednoczesnym zmniejszeniu bólu, a przede wszystkim – zapewnieniu odpowiedniego nawilżenia, które jest kluczowe dla przyspieszonego gojenia. Badania dowiodły, że pochodzące z alg polisacharydy charakteryzują się właściwościami antybakteryjnymi i antyzapalnymi, a zatem wykorzystanie ich w postaci hydrożeli znacznie przyspieszyłoby proces gojenia.

Hydrożele polisacharydowe

Wyekstrahowane z alg polisacharydy tworzą hydrożele, dzięki działaniom wiązań wodorowych oraz van der Waalsa, a także interakcji między ładunkami elektrostatycznymi ich cząsteczek. Zidentyfikowano siedem polisacharydów, pochodzących z mikroalg, z których możliwe jest wytwarzanie takich hydrożeli, jak: alginian, λ-karagen, skrobia, agaroza, ι-karagen, κ-karagen, porfiran oraz (nano)celuloza. Kluczowe do opracowania hydrożelu o pożądanych właściwościach są dokładne poznanie struktury polisacharydu, a także sposób hodowania i ekstrakcji związków z alg. Ekstrakcja opiera się na kąpieli kwasowej lub zasadowej alg w celu usunięcia niepożądanych substancji. Następnie przeprowadza się szereg procesów, takich jak: destylacja, filtracja, mielenie oraz, gdy hydrożele są produktem końcowym, żelowanie. Polisacharydy można również modyfikować za pomocą grup funkcyjnych, m.in. aldehydowej, amidowej lub metylowej, w wyniku czego zyskują one nowe właściwości, np. większą reaktywność czy zmiany w zwilżalności. Podczas procesu wytwarzania istotna jest też sterylizacja polisacharydów. Pochodzące z alg substancje mogą zawierać w sobie bakterie lub wirusy, które są niebezpieczne dla organizmu ludzkiego. Metoda sterylizacji powinna być dobrana w taki sposób, aby nie uszkodziła słabych wiązań polimerowych, a jednocześnie – usunęła wszystkie szkodliwe związki.

Opatrunki na podstawie polisacharydowych hydrożeli

Proces gojenia się ran składa się z czterech etapów: krzepnięcia krwi, stanu zapalnego w uszkodzonych komórkach, migracji i rozmnażania komórek oraz syntezy białek i obkurczania rany. Może być przyspieszany, dzięki zapewnieniu odpowiedniego pH, nawilżenia i zabezpieczenia przed dostaniem się niepożądanych mikroorganizmów. Wszystkie te istotne elementy są zapewniane przez hydrożele, a jeżeli wykonane są z polisacharydów, może nastąpić dodatkowe przyspieszenie transportu substancji leczniczej.

Największym zainteresowaniem naukowców cieszy się alginian. Mimo że sam związek zapewnia jedynie większe nawilżenie rany, może on być modyfikowany przez szereg innych substancji, pozwalających na osiągnięcie znacznego przyspieszenia gojenia. Hydrożele alginianowe mogą wchłonąć znaczne ilości nadmiernego wysięku, a ich usunięcie ze zranionego obszaru nie powoduje żadnego dalszego uszkodzenia. Przeprowadzone badania wskazują, że możliwy jest dodatek jonów wapnia i cynku, dzięki któremu hydrożele alginianowe uzyskują szereg ulepszonych właściwości: aktywność antybakteryjną, zwiększoną żywotność komórek, wytrzymałość mechaniczną i zdolność do zamykania ran poprzez pobudzanie migracji fibroblastów, unaczynienie, odkładanie kolagenu i tworzenie tkanki ziarnistej. Inną substancją dodawaną do hydrożeli alginianowych jest chitozan, wykazujący właściwości antybakteryjne.

Karageny charakteryzują się możliwością przyłączenia do ich cząsteczki substancji leczniczych, takich jak streptomycyna oraz diklofenak o właściwościach antybakteryjnych i antyzapalnych. Prowadzone nad takim hydrożelem badania wykazały, że oprócz zachowania zdolności do pochłaniania nadmiernych płynów zapewnione jest kontrolowane uwalnianie substancji leczniczych oraz duża aktywność przeciwko mikroorganizmom. Modyfikacja karagenów chitozanem umożliwia stworzenie hydrożelu, który wykazuje właściwości przyspieszające regenerację chrząstek.

Obecne badania wskazują na zdecydowaną przewagę hydrożeli polisacharydowych nad innymi materiałami używanymi jako opatrunki, zwłaszcza ze względu na ich wielofunkcyjność. Znaczenie ma również łatwość hodowli i dostępność polisacharydów z alg. Problematyczne jest jednak uzyskanie polisacharydów o odpowiednich właściwościach, czyli skomplikowane procesy ekstrakcji i oczyszczania tych substancji i właśnie na tym skupiają się prowadzone eksperymenty.