Los hidrogeles nanocompuestos ( geles NC ) son redes poliméricas hidratadas y rellenas de nanomaterial que exhiben una mayor elasticidad y resistencia en comparación con los hidrogeles fabricados tradicionalmente . Se utiliza una gama de polímeros naturales y sintéticos para diseñar redes de nanocompuestos. Al controlar las interacciones entre las nanopartículas y las cadenas de polímeros , se puede diseñar una variedad de propiedades físicas, químicas y biológicas. [1] La combinación de estructura orgánica (polímero) e inorgánica (arcilla) le da a estos hidrogeles propiedades físicas, químicas, eléctricas, biológicas y de hinchamiento / des-hinchamiento mejoradas que no se pueden lograr con ninguno de los dos materiales por sí solos. [2]Inspirados en tejidos biológicos flexibles, los investigadores incorporan nanomateriales a base de carbono, poliméricos, cerámicos y / o metálicos para dar a estos hidrogeles características superiores como propiedades ópticas y sensibilidad al estímulo que pueden ser potencialmente muy útiles para la medicina (especialmente la administración de fármacos y la ingeniería de células madre). y campos mecánicos. [2]
Los hidrogeles nanocompuestos no deben confundirse con el nanogel , una nanopartícula compuesta por un hidrogel.
Síntesis
La síntesis de hidrogeles nanocompuestos es un proceso que requiere material y método específicos. Estos polímeros deben estar compuestos de plaquetas de arcilla igualmente espaciadas, de 30 nm de diámetro, que puedan hincharse y exfoliarse en presencia de agua. Las plaquetas actúan como enlaces cruzados para modificar las funciones moleculares y permitir que los hidrogeles tengan una elasticidad y dureza superiores que se asemejan mucho a las del tejido biológico. [3] Usar plaquetas de arcilla que no se hinchan ni exfolian en agua, usar un reticulante orgánico como N, N-metilenbisacrilamida (BIS), mezclar arcilla y BIS, o preparar hidrogeles nanocompuestos en un método diferente al entrecruzamiento , no tendrá éxito. [4]
A pesar de todas las especificaciones, el proceso de síntesis de hidrogeles nanocompuestos es simple y debido a la naturaleza flexible del material, estos hidrogeles pueden fabricarse fácilmente para que tengan diferentes formas, como bloques enormes, láminas, películas delgadas, varillas, tubos huecos, esferas. , fuelles y hojas desniveladas. [5]
Propiedades
Mecánico
Los hidrogeles nanocompuestos son resistentes y pueden soportar estiramientos, flexiones, nudos, aplastamientos y otras modificaciones.
De tensión
Se realizaron pruebas de tracción en hidrogeles nanocompuestos para medir el estrés y la deformación que experimenta cuando se alarga a temperatura ambiente. Los resultados muestran que este material se puede estirar hasta un 1000% de su longitud original. [6]
Compresión
La histéresis se utiliza para medir las propiedades de compresión de los hidrogeles nanocompuestos, lo que demuestra que este material puede soportar alrededor del 90% de compresión. Estos datos muestran que los hidrogeles nanocompuestos exhiben una resistencia superior en comparación con los hidrogeles fabricados convencionalmente , que se habrían descompuesto con menos compresión.
Hinchazón y sensibilidad al estímulo.
Hinchazón, desinflamación
La red porosa de partículas de arcilla permite que los hidrogeles nanocompuestos se hinchen en presencia de agua. El hinchamiento (y el deshinchamiento) distingue a los geles NC de los hidrogeles (geles OR) fabricados convencionalmente, ya que es una propiedad de la que carecen los geles OR. La propiedad de hinchamiento de los geles NC les permite recolectar la solución acuosa circundante en lugar de ser disueltos por ella, lo que los convierte en buenos candidatos para portadores de administración de fármacos. [7]
Sensibilidad al estímulo
Se observa que los hidrogeles nanocompuestos son sensibles a la temperatura y cambiarán de temperatura cuando se altere su entorno. [8] Las sales inorgánicas, cuando se absorben, harán que los hidrogeles cambien a una temperatura más baja, mientras que el surfactante catiónico cambiará la temperatura en sentido contrario. La temperatura de estos hidrogeles ronda los 40 grados centígrados, lo que lo convierte en un posible candidato para su uso como biomaterial. [9] La sensibilidad al estímulo de los hidrogeles permite un sistema de liberación sensible en el que los hidrogeles pueden diseñarse para administrar el fármaco en respuesta a cambios en la condición del cuerpo.
Tipos
A través de nanomateriales a base de carbono
Los hidrogeles nanocompuestos que se refuerzan con nanomateriales a base de carbono son mecánicamente resistentes y conductores de electricidad, lo que los hace adecuados para su uso en biomedicina, ingeniería de tejidos, administración de fármacos, biosensores , etc. La propiedad de conducción eléctrica de estos hidrogeles les permite imitar las características de Tejidos nerviosos, musculares y cardíacos. Sin embargo, aunque estos hidrogeles nanocompuestos demuestran algunas funciones del tejido humano en entornos de laboratorio, se necesita más investigación para asegurar su utilidad como reemplazo de tejido. [10]
Vía nanopartículas poliméricas
Los hidrogeles nanocompuestos incorporados con nanopartículas poliméricas están diseñados para la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. La adición de nanopartículas poliméricas les da a estos hidrogeles una red polimérica reforzada que es más rígida y tiene la capacidad de encerrar fármacos hidrófilos e hidrófobos junto con genes y proteínas. La propiedad de alta absorción de estrés los convierte en un candidato potencial para la ingeniería de tejido cartilaginoso. [10]
A través de nanopartículas inorgánicas
La mayoría de las nanopartículas inorgánicas utilizadas para los hidrogeles nanocompuestos ya están presentes y son necesarias para el cuerpo y, por lo tanto, no presentan impactos negativos en el cuerpo. Algunos de ellos, como el calcio y el silicio, ayudan a prevenir la pérdida ósea y el desarrollo esquelético. Otras, como las nanoarcillas, mejoran la formación estructural y las características de los hidrogeles donde adquieren propiedades de autocuración, estructuras retardantes de llama, elasticidad, membrana súper barrera a los gases, repelencia al aceite, etc. Las propiedades únicas que se obtienen al incorporar hidrogeles nanocompuestos con nanopartículas inorgánicas permitirá a los investigadores trabajar en la mejora de la ingeniería de tejidos relacionados con los huesos. [10]
A través de nanopartículas de metal y óxido de metal
La conductividad eléctrica y térmica y la propiedad magnética de los metales mejoran la conductividad eléctrica y la propiedad antibacteriana de los hidrogeles nanocompuestos cuando se incorporan. La propiedad de conducción eléctrica es necesaria para que los hidrogeles comiencen a formar tejidos funcionales y se utilicen como agentes de formación de imágenes, sistemas de administración de fármacos, andamios conductores, electrónica conmutable, actuadores y sensores. [ cita requerida ]
Aplicaciones
Los investigadores han estado buscando un material que pueda imitar las propiedades de los tejidos para hacer que el proceso de ingeniería de tejidos sea más efectivo y menos invasivo para el cuerpo humano. La red porosa e interconectada de hidrogeles nanocompuestos, creada mediante reticulación, permite que los desechos y nutrientes entren y salgan fácilmente de la estructura, y sus propiedades elastoméricas les permiten adquirir la forma anatómica deseada sin necesidad de moldeo previo. La estructura porosa de este material también facilitaría el proceso de administración del fármaco, donde los compuestos farmacéuticos presentes en el hidrogel pueden escapar fácilmente y ser absorbidos por el cuerpo. Aparte de eso, los investigadores también están estudiando la incorporación de hidrogeles nanocompuestos con nanopartículas de plata para aplicaciones antibacterianas y eliminación de microorganismos en el envasado médico y de alimentos y el tratamiento del agua. Los hidrogeles infundidos con nanopartículas tienen una serie de aplicaciones biológicas, que incluyen: ingeniería de tejidos, detección química y biológica y administración de fármacos y genes.
Ingeniería de tejidos
Como reemplazos de tejido, los hidrogeles nanocompuestos necesitan interactuar con las células y formar tejidos funcionales. Con las nanopartículas y nanomateriales incorporados, estos hidrogeles pueden imitar las propiedades físicas, químicas, eléctricas y biológicas de la mayoría de los tejidos nativos. Cada tipo de hidrogeles nanocompuestos tiene sus propias propiedades únicas que le permiten imitar ciertos tipos de tejido animal.
Entrega de medicamentos
La aparición de hidrogeles nanocompuestos permite una administración más específica del sitio y controlada en el tiempo de medicamentos de diferentes tamaños con una seguridad y especificidad mejoradas. Dependiendo del método de inserción de fármacos en el material, por ejemplo, disueltos, encerrados o adheridos, el portador de fármacos se denominará de forma diferente: nanopartículas, nanoesferas (donde el fármaco se dispersa uniformemente por toda la red polimérica) o nanocápsulas (donde el el fármaco está rodeado por una estructura de cubierta de polímero). [7] La naturaleza elastomérica de este material permite que los hidrogeles obtengan la forma del sitio objetivo y, por lo tanto, los hidrogeles pueden fabricarse de manera idéntica y usarse en todos los pacientes. [11]
Los hidrogeles son agentes de administración de fármacos controlados que se pueden diseñar para que tengan las propiedades deseadas. [12] Específicamente, los hidrogeles pueden diseñarse para liberar fármacos u otros agentes en respuesta a características físicas del entorno como la temperatura y el pH. [12] La capacidad de respuesta de los hidrogeles es el resultado de su estructura molecular y redes poliméricas. [12]
Las nanopartículas de hidrogel tienen un futuro prometedor en el campo de la administración de fármacos. Idealmente, los sistemas de administración de fármacos deberían, "... maximizar la eficacia y la seguridad del agente terapéutico, administrando una cantidad adecuada a una velocidad adecuada y en el sitio más apropiado del cuerpo". [13] La nanotecnología incorporada dentro de los hidrogeles tiene el potencial de cumplir con todos los requisitos de un sistema de administración de fármacos ideal. Los hidrogeles se han estudiado con una variedad de nanocompuestos que incluyen: arcilla, oro, plata, óxido de hierro, nanotubos de carbono, hidroxiapatita y fosfato tricálcico. [13]
Las nanopartículas, en gran parte debido a sus propiedades físicas relacionadas con el tamaño, son muy útiles como agentes de administración de fármacos. Pueden superar las barreras fisiológicas y alcanzar objetivos específicos. [14] El tamaño, la carga superficial y las propiedades de las nanopartículas les permiten atravesar barreras biológicas que la mayoría de los portadores de fármacos no pueden. [14] Para ser aún más específico, las nanopartículas se pueden recubrir con ligandos dirigidos. [14] La capacidad de las nanopartículas para administrar fármacos a objetivos específicos sugiere la posibilidad de limitar los efectos secundarios sistémicos y las respuestas inmunitarias. [15]
La capacidad de las nanopartículas para transportar y liberar fármacos también depende en gran medida de las características que resultan del tamaño pequeño y la relación única de superficie a volumen de las nanopartículas. Las nanopartículas generalmente pueden transportar medicamentos de dos maneras: los medicamentos pueden unirse al exterior de las nanopartículas o empaquetarse dentro de la matriz polimérica de las nanopartículas. [14] Las nanopartículas más pequeñas tienen proporciones de área de superficie más altas y, por lo tanto, pueden unir una gran cantidad de fármaco, mientras que las nanopartículas más grandes pueden encapsular más fármaco dentro de su núcleo. [15] El mejor método de carga del fármaco depende de las estructuras del fármaco que se va a unir. Además, la carga de fármacos puede ocurrir a medida que se producen las nanopartículas, o los fármacos se pueden agregar a nanopartículas preexistentes. [14] La liberación de fármacos depende en gran medida del tamaño de la nanopartícula que la transporta. Debido a que las nanopartículas pueden unirse a la superficie de las nanopartículas, que es grande en relación con el volumen de las partículas, los medicamentos pueden liberarse rápidamente. Por el contrario, los medicamentos que se cargan dentro de las nanopartículas se liberan más lentamente. [14]
Aplicaciones antibacterianas
Las nanopartículas de plata se insertan en las redes poliméricas 3D de hidrogeles nanocompuestos para aplicaciones en actividad antibacteriana y mejora de la conductancia eléctrica. La presencia de iones de plata impide que la enzima respiratoria transfiera electrones a las moléculas de oxígeno durante la respiración o evita que las proteínas reaccionen con los grupos tiol (-SH) en la membrana de las bacterias, lo que resulta en la muerte de bacterias y microorganismos sin dañar las células de los mamíferos. [16] El tamaño de estas nanopartículas de plata debe ser lo suficientemente pequeño para atravesar la membrana celular y, por lo tanto, se requiere más investigación para fabricarlas en tamaños apropiados.
Preocupaciones
Algunas preocupaciones relacionadas con los hidrogeles infundidos con nanopartículas son las posibilidades de que estallen o de que los medicamentos se liberen de forma incompleta. [13] Aunque se especula que los hidrogeles infundidos con nanopartículas son métodos bastante prometedores de administración de fármacos, proteínas, péptidos, oligosacáridos, vacunas y ácidos nucleicos, se requieren más estudios sobre nanotoxicología y seguridad antes de que se puedan realizar aplicaciones clínicas. [14] Además, para evitar la acumulación, son muy deseables los geles y nanopartículas biodegradables. [14]
Ver también
- Gel
- Nanomateriales
- Enlace cruzado
Referencias
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