Если оглянуться в прошлое медицины, становится страшновато от того, какими ограниченными были ее возможности всего несколько десятков лет назад. Но врачи спасали и лечили людей, располагая, с современной точки зрения, очень малым.
Взять, например, лечение ран, или катаракты, или рака. Или протезирование зубов — тема, близкая многим. То, чем располагала медицина в прошлом веке и сегодня — небо и земля.
Одним из очень перспективных материалов с широкими возможностями в биомедицине является гидрогель. Что это такое, как и в каких областях медицины может применяться, рассказывает MedAboutMe.
Что такое гидрогель?
Вообще, этот материал нельзя назвать новинкой последних лет. Гидрогели применяются в разных сферах жизни довольно давно и успешно.
Например, впитывающий слой одноразовых подгузников и женских прокладок состоит из частиц гидрогеля. Гелевые составляющие есть в средствах для укладки волос, в зубной пасте. Мягкие контактные линзы — тоже гидрогель. Использует этот материал и промышленность — например, для очистки отходов.
Структуру гидрогеля можно в общих чертах описать как полимерную решетку или сетку, способную удерживать в своих ячейках молекулы воды. В некоторых типах гидрогеля вода может составлять до 99% объёма, в других — меньше. Это зависит от свойств веществ, входящих в состав геля.
Современные материалы создаются под выполнение конкретных задач, с точными параметрами, позволяющими прогнозировать свойства и «поведение». Это особенно важно в медицине, где от точности места и времени воздействия зависит здоровье человека. И гидрогели отлично справляются с задачей.
Для медицинского применения созданы, и продолжают разрабатываться различные по составу и назначению гели. Они могут быть:
- биосовместимыми, то есть не восприниматься организмом как нечто чужеродное, вызывающее отторжение;
- биоразлагаемыми или нет, что также может иметь важное значение.
Полимеры,составляющие основу, могут быть как синтезированными искусственно, так и полученными из природного сырья — морских водорослей, панцирей ракообразных, коллагена и др.
Сферы биомедицинского применения гидрогелей обширны и разнообразны.
Гидрогелевые повязки
Первые такие повязки появились еще в середине прошлого века, в пятидесятых годах. Однако разработки последнего времени позволили получать гидрогелевые материалы, обладающие самыми разными свойствами.
Они могут очищать раны, что является важной составляющей успешного лечения раневых поверхностей различного происхождения — ожогов, трофических язв, пролежней и т. д. Если прежде раны очищали хирургическим путем, что причиняло пациентам боль и могло вызвать кровотечение, то сегодня с задачей очищения успешно справляются гелевые повязки на водной основе.
Гидрогелевые повязки и пластыри создают защитный слой, предохраняющий рану от инфицирования, а также доставляют к раневой поверхности лекарства, способствующие заживлению.
Казахские ученые в 2020 году опубликовали результаты своего исследования свойств гидрогелей на основе хитозана, применяемых для лечения ран и других дефектов кожи. По мнению исследователей, этот материал отличается высокой биосовместимостью, обладает антимикробными характеристиками, а возможность модифицирования с применением других полимеров, природных или синтетических, показывает огромный потенциал гидрогеля на основе хитозана в лечении ран.
В 2016 году группа исследователей из Улан-Удэ сообщала об эффективности гидрогелевых повязок на основе полигуанидинов. В результате экспериментов были полученные данные, свидетельствующие об ускорении созревания грануляционной ткани и формировании рубца при применении гидрогеля на основе полигексаметиленгуанидина, обладающего высокой антимикробной активностью.
Исследователи из Курчатовского института и Российского технологического университета сообщили в 2020 году о создании нового гидрогеля на основе синтетического биосовместимого полимера с включением наночастиц диоксида титана, благодаря которому материал приобретает устойчивость к бактериям и проявляет антимикробную активность к золотистому стафилококку.
А в Массачусетском технологическом университете был разработан «умный пластырь», предназначенный для наклеивания на кожу — очень липкий и эластичный, не стесняющий движений и не отклеивающийся. В пластырь встроены различные датчики, резервуары для лекарственных средств, и каналы для их введения. Лекарства могут высвобождаться в ответ на повышение температуры тела, подавать световой сигнал, если резервуары опустели. По мнению разработчиков, такая повязка может быть использована для лечения ожогов, ран, дерматологических заболеваний, причем врач сможет настраивать ее по индивидуальным характеристикам пациента, «заряжать» нужными лекарствами. А в перспективе возможно применение той же технологии и для создания имплантатов
Гидрогель в офтальмологии
Помимо контактных линз, гидрогель применяется в офтальмологии и иными способами. Способность гидрогеля удерживать растворы дает возможность использовать его для локального пролонгированного высвобождения лекарственных веществ. В офтальмологии — при антиглаукомных операциях, например. Гидрогель, содержащий лекарственный препарат, служит своего рода дренажом, поставляющим в течение нескольких недель лекарство в зону операции.
Ученые работают также над разработкой гидрогелей, которые могли бы использоваться в лечении заболеваний и дефектов роговицы. Однако, как сообщают томские исследователи в своей статье от 2019 года, идеальных вариантов до сих пор не создано. Существующие и применяющиеся в настоящее время гидрогели не обладают всеми необходимыми качествами: либо они недостаточно биосовместимы и вызывают отторжение со временем, либо деградируют с течением времени под действием тканевых протеаз, либо приживаются с сохранением неполной прозрачности имплантата и т. д. Однако само направление офтальмологи считают перспективным, и работы не прекращаются.
Стоматологи тоже используют гидрогель
В стоматологии часто возникает необходимость проведения костной пластики для устранения костного дефекта. При проведении имплантации такая потребность возникает более чем в половине случаев. Существуют различные методики наращивания кости, и применение отверждаемых гидрогелей, как одного из перспективных методов, вызывает все больший интерес у специалистов. В частности, именно этому посвящена статья коллектива авторов из московского ЦНИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, вышедшей в 2017 году в журнале «Стоматология».
Китайские исследователи из Университета Сан Ят-Сен предложили применять гидрогель, созданный на основе матрикса пульпы, для восстановления самой пульпы. Применение этого материала способствует ускорению дифференциации стволовых клеток.
В Университете Южной Калифорнии был разработан гидрогель, который при нанесении на эмаль поврежденного кариесом зуба помогает разрушенной ткани восстанавливаться. Над этой методикой ученые работали более 20 лет, прежде чем были получены результаты, позволяющие говорить о практическом применении.
Лечение рака
Опасное заболевание требует порой тяжелого лечения. С целью уменьшения побочных действий химиотерапии применяют гидрогели в качестве носителя лекарственного средства.
Обычная химиотерапия часто связана с неблагоприятными эффектами в нормальных, здоровых тканях и клетках. Для снижения токсического эффекта может применяться локальная химиотерапия, то есть доставка активного вещества непосредственно к опухоли. Гидрогели дают такую возможность.
Гидрогель, содержащий препарат химиотерапии, доставляется различными способами к тому месту, где необходимо воздействие, и постепенно, в течение длительного времени высвобождает активное вещество.
Разработаны различные типы гелей — чувствительные к температуре, к свету, нацеленные на различные типы рака. Они могут быть как в форме пластырей — как, например, при лечении рака молочной железы или меланомы, так и в инъекционной форме.
В Техасском отделении университета A&M разрабатывается новый тип гидрогелей, которыми врачи смогут управлять уже после доставки его в организм, с использованием инфракрасного света, способного проникать глубоко в ткани.
В состав разрабатываемого нами материала входит дисульфид молибдена, способный эффективно поглощать инфракрасное излучение. Это позволяет использовать такой гидрогель в качестве термоуправляемого или термореактивного материала. Применение материала в лечении рака позволит не только адресно доставлять лечебные препараты к опухоли, но и удерживать их в ее тканях, не позволяя распространяться по организму. Термочувствительность геля дает также возможность применять параллельно с химиотерапией фототермическую терапию — то есть генерировать в нужном месте тепло, разрушающее опухолевые клетки. Такая комбинация показывает высокую эффективность в лечении рака.
Описанными направлениями возможность биомедицинского применения гидрогелей не ограничивается. Например, этот материал успешно используют также для замены изношенного хряща в суставах. А в косметологии с помощью гидрогелевых патчей ухаживают за нежной кожей вокруг глаз, о чем рассказывает статья на нашем сайте.
