Гели внутри нас

Содержание 1. Введение.Что такое гель? 2. Основная часть · Полимерные гидрогели · Стекловидное тело глаза · Современное применение гелей
3. Вывод 4. Список используемой литературы
Введение
Гели (лат. gelo застываю) – такие дисперсные системы, у которых частицы дисперсной фазы не движутся свободно, как у растворов, а связаны между собой; дисперсионная среда заполняет промежутки между связанными мицеллами. Студни или гели, – это золи, полностью или частично потерявшие агрегатную устойчивость, но сохранившие кинетическую устойчивость. Примерами гелей могут служить студни желатины, агара, пектина, кремниевой кислоты; целлулоид, клей, текстильные волокна, многие ткани растительного и животного происхождения. А также большинство продуктов питания пищевой промышленности, как например простокваша, кисели, желе, мармелад, сыр, тесто, хлеб и др. Кроме того, к гелям можно отнести и некоторые минералы, к примеру, опал и агат. Особенно широко гели представлены в растительных и животных организмах, например, мышечная и нервная, соединительная ткани, стекловидное тело глаза, различного вида биологические мембраны являются примерами сложных гелей. Наличие внутренней пространственной структуры придает гелям свойства твердых тел: они обладают определенной формой, которая может изменяться только под действием внешних сил. Природа частиц дисперсной фазы и механические свойства образуемых ими гелей обусловливают подразделение гелей на хрупкие (неэластические) и эластические. Хрупкие гели, как правило, образуются при коагуляции лиофобных золей, например гидрозолей пятиокиси ванадия, гидроокиси железа, двуокиси кремния и др. Сцепление частиц в пространственную структуру в таких гелях происходит в отдельных точках под действием вандерваальсовых сил притяжения. Хрупкие гели представляют собой гетерогенные, двухфазные системы. Вследствие жесткости частиц дисперсионной фазы и образуемого ими каркаса объем хрупких гелей при высушивании или поглощении ими жидкостей, например, при оводнении, мало изменяется, поэтому хрупкие гели называют также ненабухающими гелями. При достаточно полном удалении дисперсионной среды путем высушивания из студнеобразных хрупких гелей получают высокопористые твердые тела, иногда называемые ксерогелями, являющиеся хорошими сорбентами (например, селикогель). Хрупкие гели содержат большое количество капилляров, поэтому эти гели могут поглощать значительные количества различных смачивающих их жидкостей. Эластические гели или студни, образуются при желатинировании растворов высокомолекулярных соединений. Пространственная структура в этом случае возникает в результате сцепления гибких макромолекул. Благодаря их гибкости поглощение или удаление дисперсионной среды (растворителя) из эластического геля сопровождается значительным изменением его объема. Поглощение жидкостей эластическим гелем является процессом избирательным в отношении природы жидкости и всегда сопровождается увеличением их объема – набуханием, поэтому эластические гели называют также набухающими гелями. Эластические гели представляют собой гомогенные однофазные системы. Типичными примерами эластических гелей являются гели желатины, агара, каучука и многих других полимеров и биополимеров В зависимости от природы дисперсионной среды (воды, спирта, глицерина др.) различают гидрогели, алкогели, глицерогели и т. п. В тех случаях, когда связь между частицами дисперсной фазы в пространственной сетке гелей непрочная, гели проявляют свойство тиксотропии, т.е. могут переходить в золь или раствор при механическом воздействии (встряхивание, перемешивание). Полученные таким образом золи и растворы полимеров в покойном состоянии вновь желатинируются. Гели могут претерпевать процесс старения, так называемый синерезис; при этом происходит уменьшение объема геля при сохранении его формы; часть дисперсионной среды (растворителя) отделяется. Гели широко применяются в микробиологических, санитарно – гигиенических и клинических лабораториях для приготовления питательных сред, для проведения некоторых видов электрофореза, иммуноэлектрофореза и для гель-фильтрации. Полиакриламидный, агаровый и крахмальный гели используются в качестве носителей при электрофорезе в лабораторной диагностике таких заболеваний, как ревматизм, инфаркт миокарда, пневмонии, шизофрения, талассемия и др. Фильтрация мочи через гель сефадекса G-25 применяется для ранней диагностики беременности (выделение конъюгированных эстрогенов). “Умные” полимерные гидрогели В последние годы в повседневной жизни появилось много новых полимерных материалов, к их числу относятся и полимерные гели. Еще 20-30 лет назад мало кто о них слышал, а сегодня они уже прочно вошли в наш быт и используются как наполнители в подгузниках, гигиенических салфетках, мягких стельках, принимающих форму стопы, в медицине и т.д. Чем могут быть интересны уже ставшие тривиальными материалы и почему ими продолжают заниматься ученые? Набухание и коллапс Полимерные гели представляют собой набухшие в растворителе длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями (сшивками) в единую пространственную сетку (рис.1). Такие гидрогели способны поглощать и удерживать в себе огромное количество воды: до 2 кг на 1 г сухого полимера. Благодаря этому свойству их называют молекулярными губками. Столь высокая способность поглощать воду характерна для полиэлектролитных гелей, т.е. гелей, содержащих заряженные группы. Почему именно эти гели способны поглощать много воды? В водной среде они диссоциируют с образованием заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов так же, как молекулы соли распадаются в воде на катионы и анионы. Однако при диссоциации в молекуле полимера ионы одного заряда, например положительные, остаются связанными с цепью, а отрицательные (т.е. противоионы) оказываются в свободном состоянии, в растворителе (см. рис.1). Звенья полимерной сетки, одноименно заряженные, отталкиваются друг от друга, и потому цепи, исходно свернутые в клубки, сильно вытягиваются. В результате образец геля значительно увеличивается в размерах, т.е. набухает, поглощая растворитель. Рис. 1. Схема строения трех форм полимерного геля. Слева направо: незаряженная сетка, полиэлектролитная (в ней за счет диссоциации ионогенных групп в водной среде образуются заряженные звенья на полимерных цепях и низкомолекулярные противоионы) и сетка с гидрофобными группами, ассоциирующими друг с другом в водном растворе. Низкомолекулярные противоионы тоже играют существенную роль в набухании. Они свободно перемещаются в растворителе внутри геля, иначе говоря, приобретают трансляционную энтропию. Но покинуть его они не могут, так как это приведет к нарушению электронейтральности. Таким образом, поверхность образца геля оказывается непроницаемой для противоионов. Будучи запертыми внутри, они стараются занять как можно больший объем, чтобы получить существенный выигрыш в энтропии трансляционного движения. В результате создается “распирающее” осмотическое давление, вызывающее значительное набухание геля, подобно тому, как давление газа “надувает” воздушный шар. Итак, сильное набухание полиэлектролитных гелей в воде обусловлено как электростатическим отталкиванием одноименно заряженных звеньев, так и осмотическим давлением противоионов. Если количество заряженных звеньев невелико, гель в основном набухает за счет осмотического давления противоионов [1-3].
Из-за огромного количества растворителя в набухших гелях возможны фазовые переходы. Как правило, они вызваны усилением притяжения между звеньями сетки, что приводит к вытеснению растворителя из геля в наружный раствор. В итоге объем геля скачкообразно уменьшается в сотни раз. Столь значительное изменение видно невооруженным глазом [4] (рис.2).
Рис. 2. Коллапс полимерного геля при нагревании Резкое уменьшение объема геля при небольшом изменении внешних условий называется коллапсом [2, 4]. Силы притяжения, которые его вызывают, в водных средах обычно обусловлены гидрофобными взаимодействиями или водородными связями. Как только какой-то внешний фактор (например, температура, состав растворителя, рН и т.д. [4]) делает преобладающими силы притяжения, переход геля в сколлапсированное состояние становится неизбежным. Таким образом, полимерные гели, находящиеся “на пороге” коллапса, могут чрезвычайно резко и обратимо изменять свой объем в ответ на небольшие изменения параметров среды. Благодаря этому такие гели называют восприимчивыми (responsive gels), или по-другому - умными материалами (smart or intelligent materials), т.е. материалами, способными реагировать на небольшие изменения во внешней среде заранее запрограммированным образом [5]. В зависимости от воздействия, которое вызывает коллапс, восприимчивые гели можно разделить на термо-, фото- и рН-чувствительные [4]. Последние представляют особый интерес для науки, особенно в последнее время. Лекарства в геле Восприимчивые к рН гели содержат группы слабой кислоты или слабого основания, способные к ионизации при изменении кислотности внешнего раствора. Будучи незаряженными, эти умные материалы находятся в сколлапсированном состоянии, ионизация же вызывает их набухание из-за электростатического отталкивания одноименно заряженных звеньев и “распирающего” осмотического давления противоионов. Понятно, что гидрогели с кислотными группами набухают в щелочной среде и коллапсируют в кислой, где ионизация подавлена, а если содержат основные группы, то, напротив, набухают в кислой среде и коллапсируют при повышении рН (рис.3). Лекарственные вещества уже давно стали помещать в полимерные матрицы, чтобы препарат медленно выделялся из носителя и оказывал благодаря этому пролонгированное действие. Гели, восприимчивые к рН, можно использовать не только для той же цели, но и для направленной доставки лекарства. Чтобы ввести его в гелевый носитель, достаточно поместить образец геля в раствор лекарственного вещества (в том числе и такого крупного, как белок), и оно окажется внутри полимерной матрицы. Затем гель высушивают (удаляют растворитель), и тогда он становится лекарственной формой. Если этот “контейнер” снова поместить в растворитель, лекарственное вещество будет выделяться, причем тем быстрее, чем больше степень набухания геля (т.е. чем сильнее раскрыты его поры). Так полимерная матрица контролирует скорость выделения лекарства. Но, кроме того, она может обеспечить его доставку непосредственно к тому участку организма, который нуждается в препарате. Создавая системы направленного транспорта лекарственных веществ, специалисты учитывают, что разные отделы пищеварительного тракта человека сильно различаются кислотностью. Например, в желудке кислая среда (рН 1.4), в кишечнике - близкая к нейтральной (рН 6.7-7.4). Чувствительный к рН гель с лекарством, попав в организм, отдаст содержимое там, где он набухнет. Благодаря таким свойствам для направленного транспорта лекарственного вещества в желудок можно использовать гели, содержащие группы слабого основания и поэтому набухающие в кислой среде желудка, например, гель на основе N,N-диметиламиноэтилметакрилата. Кроме того, такие гели могут служить еще и в качестве защитной оболочки. Они сколлапсированы при нейтральных рН во рту и тем самым предотвращают растворение лекарственного вещества в слюне, избавляя больного от неприятного вкуса горького лекарства (taste-masking application) [4, 5]. Гели на основе слабой кислоты набухают в щелочной среде (см. рис.3), а в желудке при рН 1.4 они сохраняют лекарственное вещество внутри себя. Тем самым препарат не испытывает вредного воздействия столь высокой кислотности, а кроме того, и слизистая желудка не подвергается нежелательному воздействию лекарства. Попав в кишечник (рН 6.7-7.4), гель набухает и выделяет там вещество. Рис. 3. Влияние рН на набухание геля с группами слабой кислоты (слева) и с группами слабого основания. Если полимерные цепи не имеют ионизованных групп, гель находится в сколлапсированном состоянии; заряженный гель набухает. Подобные гели особенно важны при лечении таких болезней, как панкреатит. Обычно больные вынуждены постоянно употреблять ферменты, чтобы облегчить переваривание и усвоение пищи в тонком кишечнике. В настоящее время для лечения этой болезни используются лекарственные препараты, содержащие фермент амилазу. Однако в исследованиях установлено, что только малая его доля (4, 5]. Не менее важны восприимчивые к pH гидрогели и в тех случаях, когда больные принимают противовоспалительное средство индометацин. Здесь уже приходится защищать желудок от агрессивного лекарства - оно способно даже привести к разрушению ткани желудка. Гель полностью предотвращает выделение индометацина в желудке и тем спасает больного от дополнительных неприятностей. Таким образом, рН-чувствительные гели не только выполняют функцию матрицы, которая дозированно выделяет лекарство в определенном отделе пищеварительного тракта, но и служат защитной оболочкой [4, 5]. Протекающие в организме патологические процессы, как правило, связаны с изменением рН, температуры, концентрации конкретных веществ. Поэтому появляется возможность создавать системы с обратной связью, когда возникшие отклонения от нормы инициируют выделение лекарственного препарата. Создание подобного рода саморегулирующегося лекарства крайне необходимо для больных сахарным диабетом. Гидрогели вполне подходят для такой цели в качестве искусственной поджелудочной железы, которая выделяет инсулин в ответ на изменения концентрации глюкозы [4, 5]. Некоторые успехи в этом уже достигнуты. Сначала рН-чувствительный гель с группами слабого основания насыщают инсулином, а затем иммобилизуют фермент глюкозооксидазу. Когда глюкоза диффундирует из внешнего раствора в гидрогель, глюкозооксидаза окисляет ее до глюконовой кислоты, которая вызывает ионизацию геля и его набухание. Оно в свою очередь “раскрывает” поры геля и способствует выходу из него инсулина. Чем больше глюкозы в крови, тем больше инсулина выделяется из геля.
Дальнейший прогресс в создании саморегулирующихся лекарств, в частности, требует разработки способов получения гидрогелей, которые переходили бы из сколлапсированного состояния в набухшее при разных значениях рН. Это позволило бы более тонко контролировать как место, так и скорость выделения лекарственного препарата.
Конструирование гелей Разработан способ получения гидрогелей с любой заранее заданной величиной рН перехода из сколлапсированного состояния в набухшее. Экспериментировали с гелем слабой - полиакриловой - кислоты (ПАК), в которую вводили боковые гидрофобные группы, чтобы усилить гидрофобные взаимодействия между звеньями полимерной сетки (рис. 4). Чем сильнее гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие сколлапсированное состояние геля, тем выше рН перехода в набухшее состояние, так как необходимо значительнее увеличить степень ионизации геля, чтобы преодолеть дополнительное гидрофобное притяжение между звеньями и вызвать набухание геля. Рис. 4. Химический состав гидрофобно модифицированного полиакрилатного геля. Варьируя число гидрофобных звеньев и их длину, можно контролировать гидрофобные свойства, а меняя степень ионизации звеньев акриловой кислоты - регулировать противодействующий фактор, т.е. электростатическое отталкивание одноименно заряженных групп. Гидрофобные звенья в н-алкилакрилате - это длинные неполярные алкильные группы (из 8, 12 или 18 атомов углерода), замещающие атомы водорода в ПАК. Гидрофобные взаимодействия между этими группами тем сильнее, чем их больше и чем они длиннее. Следовательно, варьируя содержание гидрофобных звеньев и их длину, можно четко контролировать гидрофобные свойства гелей и, как следствие - область перехода. Экспериментально установили зависимость степени набухания гидрофобно модифицированных гелей ПАК от рН внешнего раствора (рис.5). Без гидрофобных групп при низких величинах кислотности гель почти не содержит воду, он сколлапсирован, а при повышении рН начинает набухать, и когда ионизация достигает максимума, 1 г полимера (в расчете на сухой вес) способен поглотить 300 г воды. В модифицированном геле гидрофобные взаимодействия вызывают образование агрегатов, которые играют роль дополнительных сшивок и препятствуют набуханию. Чтобы перевести такой гель в набухшее состояние, необходимо разрушить агрегаты. Для этого нужно ввести дополнительное количество заряженных звеньев (т.е. повысить рН среды). Чем больше ассоциирующих групп и чем сильнее их притяжение друг к другу, тем значительнее смещается рН перехода [4]. Рис. 5. Зависимость степени набухания гелей от рН внешнего раствора. Видно, что в сильно кислой среде все гели сколлапсированы. Они начинают набухать по мере повышения рН, причем раньше других набухает полиакрилатный гель (1), а затем последовательно и те, что содержат 2.5% (2), 10% (3) и 20% (4) гидрофобных н-октилакрилатных звеньев. Методом ядерного магнитного резонанса мы установили, что гидрофобные агрегаты распадаются по мере ионизации геля из-за усиливающегося электростатического отталкивания. Когда они исчезают, модифицированный гель ведет себя так же, как исходный гель ПАК, т.е. достигает степени набухания 300. Если гель содержит более 20% модифицирующих групп, гидрофобное притяжение может эффективно конкурировать с электростатическим отталкиванием, и потому ионизация приводит только к частичному разрушению агрегатов. В результате даже полностью ионизованный гель имеет степень набухания 200. Таким образом, подбирая длину и число гидрофобных групп, удается не только получить гель с любым заранее заданным рН перехода из сколлапсированного состояния в набухшее, но и достичь требуемой степени набухания при данной кислотности. Проверили гидрофобно модифицированный гель на способность удерживать и выделять известное многим нестероидное противовоспалительное средство - индометацин - при разных рН среды. Выяснилось, что, будучи сколлапсированным, гель в сильно кислой среде прочно удерживает в себе абсорбированный индометацин и начинает выделять его лишь во время набухания при более высоких рН. Следовательно, в желудке (рН 1.4) гель не будет отдавать лекарство, а целенаправленно доставит его в кишечник (рН 6-7.4). Там скорость выделения индометацина существенно зависит от гидрофобности геля, т.е. от содержания и длины гидрофобных групп. Из слабо набухших гидрофобных гелей лекарственное средство выделяется медленнее, чем из сильно набухших с низкой степенью гидрофобности. При одном и том же рН можно подобрать степень гидрофобности геля так, чтобы обеспечить необходимую скорость выделения лекарства. Следовательно, введение гидрофобных групп позволяет контролировать не только пункт доставки препарата, но и скорость, с которой его отдает гель. Особый интерес модифицированные гели представляют в качестве носителей плохо растворимых в воде лекарственных средств. Это их свойство обеспечивает им солюбилизацию в гидрофобных агрегатах полимера. Лишь по мере их разрушения в процессе ионизации геля препарат выйдет из него. В этом случае гидрофобные агрегаты играют роль “депо”, в которых хранится лекарство. Гели с наноструктурой Ученые не ограничились созданием только что описанных гелей, цель которого - как можно эффективнее использовать их для доставки лечебного препарата к больному месту в организме, отдавать лекарство с необходимой скоростью и даже хранить его до поры до времени. Получили полимерные системы с наноструктурой, восприимчивой к внешним воздействиям. В неионизованном модифицированном геле гидрофобные звенья участвуют в образовании агрегатов по всему его объему и формируют таким образом уникальную наноструктуру системы. Методом малоуглового нейтронного рассеяния мы установили, что наноструктура чрезвычайно чувствительна даже к небольшим изменениям рН среды, вызывающим ионизацию звеньев геля. Введение всего лишь 2% заряженных групп [6] вызывает кардинальную перестройку наноструктуры - микрофазное расслоение: гидрофобные агрегаты, изначально равномерно распределенные в набухшей гидрофильной полимерной сетке (в среднем на расстоянии 5.5 нм друг от друга), не несущей ионизованных групп, при их введении уплотняются, агрегируют между собой и образуют надструктуры - гидрофобные кластеры (рис.6). Рис. 6. Схема изменений наноструктуры гидрофобно модифицированных полиакрилатных гелей при варьировании рН. Гель (в виде регулярной сетки) с недиссоциированными карбоксильными группами (-СООН) находится в коллапсе вплоть до рН=4. Когда рН увеличивается, гидрофобные звенья агрегируют и образуются кластеры. При еще большем увеличении крупные кластеры дробятся на более мелкие. На кривых малоуглового нейтронного рассеяния появляются максимумы, которые соответствуют среднему расстоянию между рассеивающими объектами, т.е. кластерами (рис.7). Оно достигает 22.4 нм. Разделяющее кластеры пространство представляет собой набухшие в воде гидрофильные “каналы”, в которых сосредоточены заряженные звенья геля и противоионы.
Рис. 7. Кривые малоуглового нейтронного рассеяния для модифицированных гелей, содержащих 20% гидрофобных н-додецилакрилатных звеньев, с разной степенью ионизации: 1, 2, 4, 6 и 20%.
Размеры кластеров и среднее расстояние между ними чрезвычайно восприимчивы к рН среды, вызывающей ионизацию геля. Повышение степени ионизации с 2 до 20% приводит к сокращению среднего расстояния между кластерами с 22.4 до 8 нм и к существенному уменьшению их размеров [6]. Значительное изменение микроструктуры мы объясняем тем, что при повышении степени ионизации геля электростатическое отталкивание заряженных групп на поверхности кластеров вызывает их “дробление” на множество более мелких, в результате чего среднее расстояние между кластерами уменьшается. Из-за “дробления” повышается суммарная площадь поверхности кластеров и, соответственно, увеличивается расстояние между одноименно заряженными группами. Полученные гели по всем характеристикам принадлежат к “умным” полимерным системам, наноструктуру которых можно направленно изменять, варьируя параметры внешней среды, например, рН. Ранее такие гели не были известны.



Стекловидное тело глаза. Обширное по глазным меркам пространство между хрусталиком и сетчаткой заполнено гелеподобным студнеобразным прозрачным веществом, называемым стекловидным телом. Оно занимает около 2/3 объема глазного яблока и дает ему форму, тургор и несжимаемость. На 99 процентов стекловидное тело состоит из воды, особо связанной с специальными молекулами, представляющими собой длинные цепочки повторяющихся звеньев - молекул сахара. Эти цепочки, как ветки дерева, связаны одним своим концом со стволом, представленным молекулой белка. Стекловидное тело несет массу полезных функций, важнейшей из которых является поддержание сетчатки в своем нормальном положении. У новорожденных стекловидное тело представляет собой однородный гель. С возрастом, по не до конца известным причинам, происходит перерождение стекловидного тела, приводящее к слипанию отдельных молекулярных цепочек в крупные скопления. Однородное в младенчестве, стекловидное тело с возрастом разделяется на две составляющие - водный раствор и скопления молекул-цепочек. В стекловидном теле образуются водные полости и плавающие, заметные самому человеку в виде "мушек", скопления молекулярных цепочек. В конечном итоге этот процесс приводит к тому, что задняя поверхность стекловидного тела отслаивается от сетчатки. Это может приводить к резкому увеличению количества плавающих помутнений - мушек. Сама по себе такая отслойка стекловидного тела ничем не опасна, но в редких случаях может приводить к отслойке сетчатки. Современное применение гелей. 1. Йод применяют в медицинской практике более 150 лет для обработки ран, операционного поля, в стоматологии и для лечения кожных заболеваний. Он вступает в реакцию не только с белками микроорганизмов, но и макроорганизма, образуя характерную пленку на поверхности раны, что препятствует проникновению болезнетворных бактерий. Однако довольно часто именно под кожей возникает очаг воспаления. Отечественные ученые создали гелеобразный препарат, который глубоко проникает в очаг поражения тканей. В чем же его изюминка и преимущество перед другими йодосодержащими препаратами? Его отличительная особенность — отсутствие раздражающего эффекта и способность глубоко проникать в ткани, где размножаются возбудители гнойно-воспалительных процессов. Этот препарат позволяет полностью использовать известное противомикробное действие. 2. Дети не бояться уколов как раньше. a. Не следует легкомысленно относиться к боли, которую испытывает маленький ребенок во время прививки. Неприятный эпизод из раннего детства, сохранившийся в памяти, может привести к повышению болевой чувствительности и страху перед уколами в будущем. Задумавшись над этой проблемой, канадские ученые решили провести исследование, в котором проверялась эффективность поверхностной анестезии перед вакцинацией. Команда ученых под руководством доктора Gideon Koren из Hospital for Sick Children (Торонто) наблюдала за 120 маленькими пациентами, которым проводили стандартную прививку от кори, свинки и краснухи (MMR). Для анестезии использовали гель аметокаина, смазывая им руку ребенка за полчаса до инъекции. Дети, получившие анестезию, набрали значительно меньше баллов по стандартной шкале боли, чем дети, которым наносили на руку инертный гель плацебо. Аметокаин чаще, чем плацебо вызывал раздражение кожи, но серьезных аллергических реакций не отмечалось 3. Американским ученым удалось создать искусственный хрящ, который по своим характеристикам не отличается от настоящего. Новый материал может быть использован для замены поврежденного хряща у людей с артритами, травмами и другими заболеваниями суставов. Искусственный хрящ был создан в лабораториях университета Калифорнии в Сан-Диего. Для его создания использовано несколько разновидностей живых клеток, отличающихся размерами и выполняемыми функциями. Как основа для материала был использован специальный гель. По словам авторов работы, искусственный хрящ по строению напоминает хрящ детей. Он может расти, принимая форму, соответствующую геометрии сустава. Когда клетки приживутся, гель уже будет не нужен. Ученые надеются, что их открытие поможет многим больным. 4. Американские ученые провели серию экспериментов, которые могут приблизить создание искусственной нервной ткани. Исследователи из Северо-Западного университета разработали специфическую белковую среду для культивирования нервных клеток. При контакте с водой такая среда превращается в гель с трубчатой структурой. Когда на этот гель поместили стволовые нервные клетки, они трансформировались в полноценные нейроны. Экспериментаторы не исключают, что с помощью подобного геля можно будет лечить травматические повреждения спинного мозга. 5. Очередной день ежегодного съезда Американской ассоциации поощрения науки принес новую порцию сенсаций. На этот раз ученые объявили о том, что нашли способ навсегда избавить человечество от кариеса. Как заявили ученые, побороть кариес поможет гель с генетически модифицированной бактерией, который нужно будет всего лишь один раз нанести на зубы. А действовать этот гель, по словам ученых, будет всю жизнь. Профессор Джеффри Хиллман из университета штата Флорида смог модифицировать ДНК бактерии Streptococcus mutans таким образом, что она больше не производит молочную кислоту. Эксперименты на животных показали, что генетически модифицированная бактерия полностью заменяет естественную бактерию в полости рта. Клинические испытания геля в Великобритании и США начались в конце 2002 года. 6. В 2001 году американские ученые разработали уникальную технологию создания искусственных тканей и органов. Предложенный ими метод основывается на тех же принципах, что и… в обычных типографиях – клеточная масса, подобно чернилам, наносится на трехмерный каркас, формирующий структуру и геометрию будущего органа. В качестве каркаса для построения искусственной ткани исследователи использовали специальный гель, разработанный биохимиками из Университета Вашингтона. На подложку из этого геля наносилась суспензия клеток, формирующих функциональную часть будущих органов. В результате получалась тончайшая пластинка геля, содержащая клетки. При наложении друг на друга такие пластинки склеивались, создавая единый клеточный конгломерат с заданной структурой, после чего гель удалялся путем нагревания до 32 С.
7. Водоросли защищают женщин от СПИДа. Гель, приготавливаемый на основе красных водорослей, используемый в зубной пасте и мороженом в качестве загустителя, может защищать от СПИДа. В опытах на животных уже было доказано, что он препятствует инфицированию гонореей и герпесом. Испытания геля начались в 2001 году и продолжатся до 2005 года. Все участницы исследования (около 6 тысяч женщин) будут поделены на три группы. Женщины из первой группы будут пользоваться гелем, вторая группа получит неактивную форму (плацебо). Третья будет взята для контроля. Клинические испытания будут проведены
Центром биологических исследований Американского совета по народонаселению. 8. Стволовые клетки. Организм сам по себе имеет некоторые способности к восстановлению тканей, но с возрастом эти его таланты постепенно утрачиваются. Причина, как сообщают биологи, кроется в неких изменениях молекул, регулирующих работу стволовых клеток (которые присутствуют в организме) "на местах", то есть — в мускулах или соединительной ткани, или костях. Потому даже инъекция порции новеньких стволовых клеток извне, на что так уповают многие медики, это не совсем надёжный путь помощи заболевшему или повреждённому органу. Стволовые клетки сталкиваются с такими условиями, что очень быстро перестают играть предназначенную им роль и регенерировать орган. Основные авторы необычного проекта — учёные из университета Калифорнии, которые разработали и создали особый гидрогель, который обладает рядом запрограммированных свойств. Например, при комнатной температуре он податлив, подвижен, фактически – жидкость. Но при температуре тела он застывает, превращаясь в мелкоячеистый каркас. Биоинженер Конбой и её коллеги из Беркли придумали следующую уловку. В жидкий гель они вводят стволовые клетки и набор органических веществ (пептидные цепочки и прочее), способствующих их быстрому размножению.Быстро застыв, полимер превратится в инкубатор стволовых клеток, где они будут и размножаться, и постепенно дифференцироваться, создавая здоровую ткань. Гелевый каркас будет служить и поставщиком нужных веществ, и (на первых порах) защитой введённых клеток от воздействия неблагоприятной среды организма.Со временем гидрогель деградирует и бесследно рассасывается в организме. Это ещё одно важное свойство изобретения, запрограммированное добавлением определённых молекул к его структуре. Конбой объясняет: "В течение нескольких дней стволовые клетки будут содержаться в оптимальной окружающей среде, с хорошим шансом, что они восстановят больную или старую ткань".Это исследование может привести к новому способу лечения дегенеративных болезней, типа мускульной дистрофии или даже помочь в восстановлении тканей мозга и сосудов. Долгосрочная цель авторов геля заключается в том, чтобы научиться удалять из тканей работающие со сбоями стволовые клетки, помещать их в гидрогель, добиваться размножения и вводить биоматериал назад в тело человека, чтобы повысить его способность к «саморемонту». 9. Британцы изобрели чудо-гель Британские медики в 2002 году изобрели специальный гель, позволяющий ранам затягиваться в два раза быстрее. Гель уже прошел успешные испытания на животных. Обычный порез, который обыкновенно затягивается за неделю, с помощью этого геля залечивается за три дня. Гель действует на биологическом уровне, приводя в движение сложную систему самоорганизации клеток. Эксперименты показали, что гель может эффективно лечить раны не только кожи, но также сетчатки глаза и ткани мозга. 10. Гели, дарящие молодость Специальный гель, созданный на основе гиалуроновой кислоты, относится к новому поколению наполнителей. Его довольно активно применяют в Америке и Канаде для введения в губы и носогубные складки. Гель быстро приобрел популярность и в Европе, где женщины избегают использовать инъекции бычьего коллагена из-за боязни заразиться коровьим бешенством. Гиалуроновая кислота - естественный полисахарид, заполняющий пространство между клетками кожи, а также входящий в состав околосуставной жидкости, благодаря чему в суставах осуществляются движения. Доктор Терранс, пластический хирург из Австралии, ввел этот гель в губы и носогубные складки 224 пациентов и пациенток. Он отмечает, что сглаженность морщин и особенная пышность губ держится примерно шесть месяцев, после чего эффект начинает пропадать. Еще один подобный гель, добывается из петушиных гребней. 11. Новый гель способен лечить глубокие раны и ожоги В Центре Вирусологии и Биотехнологии "Вектор" был создан гелевый препарат, который позволяет быстро и эффективно лечить глубокие кожные раны и ожоги, а также устранять отторжение и ускорять заживление при пересадке кожи. В последние время в клинической практике и трансплантологии применяются методы заживления ран, которые не способны восстанавливать кожный покров на глубоких ранах или сильных ожогах. В результате, пациенты месяцами имеют незаживающие открытые раны и проходят долгий курс реабилитации. В Государственном Научном Центре Вирусологии и Биотехнологии "Вектор" отладили технологию лечения глубоких кожных дефектов, при которой сокращаются сроки заживления ран, упрощаются условия транспортировки, снижается трудоемкость получения и переноса клеточного материала. Достижения ученых позволили расширить сферу применения клеток штамма, получаемого в виде геля, который способен проникать даже в неровные и глубокие раны 12. Медики из университета Торонто предложили новую технику для восстановления серьезных повреждений позвоночника. Место разрыва спинного мозга заполняется специальным гелем. В него погружают особые волокна, располагаемые вдоль позвоночника. Гель растворяет волокна, образуя продольные канальцы, которые наполняют веществами, необходимыми для роста нейронов. Попадая в устья канальцев, наполненных питательными веществами, нервная ткань поврежденного спинного мозга начинает расти вдоль них. В конечном счете, это позволяет срастить участки спинного мозга. В 2001 году эта технология была отрабатывается на животных. 13. Осталось ждать недолго: замена содержимого глазного хрусталика полимерным мягким гелем позволит миллионам людей забросить свои очки для чтения. Вначале коллектив исследователей из австралийского международного центра объединенных исследований проблем зрения решил, что этот метод можно рассматривать как дальнейшее усовершенствование операции по удалению катаракты. Но, убедившись в его эффективности и безопасности, счел, что его можно будет рекомендовать более молодым людям, которые почувствовали потребность в очках для чтения. С возрастом способность хрусталика менять свою форму - "аккомодация" - уменьшается. После 45 большинство людей начинают нуждаться в очках для чтения или бифокальных очках. В конце 80-х Жан-Мари Парел из университета в Майами показал, что, заменив содержимое хрусталика старой резус-макаки силиконом, можно восстановить его способность фокусироваться на отдаленных объектах. Но силикон вытекал из капсулы хрусталика, поэтому начались работы по созданию такого полимера, который обладает таким же индексом рефракции, как у хрусталика, и соответствующими биомеханическими свойствами. И такая формула найдена: после "закачивания" в хрусталик флюид под воздействием дневного света или ультрафиолетовой радиации превращается в гель. Несколько испытаний на глазах человека продемонстрировали аккомодацию от 6 до 8,5 диоптрия, что более чем достаточно для чтения. Имплантирование геля сходно с операциями катаракты, но без удаления хрусталика. Вместо этого хирурги делают маленький разрез в роговице, затем крошечное отверстие в хрусталике, через которое удаляют его содержимое, а затем вводят гель, который под воздействием ультрафиолетового излучения или дневного света меняет свою консистенцию на желеобразную. Эта 15-минутная операция отрабатывалась на кроликах. Так как их хрусталики не способны к аккомодации, последующим шагом будет проведение операций на резус-макаках, глаза которых похожи на человеческие. В конце будущего года начнутся клинические испытания на людях. Если все пройдет хорошо, то это будет прорывом в офтальмологии.
14. Российские ученые совершили настоящий прорыв в лечении сахарного диабета. В 2001 году они разработали препарат инсулина, который можно принимать в виде таблеток вместо традиционных уколов. Эффективность нового лекарства в настоящее время подтверждается клиническими испытаниями. Специалисты не сомневаются в их исходе и уверены, что инсулиновые таблетки смогут сильно облегчить жизнь диабетиков. Новый препарат назван рансулином. О его создании было объявлено несколько дней назад на заседании Президиума Российской академии наук (РАН). Заявление об открытии сделал академик РАН, ученый секретарь академии Николай Платэ. Сегодня диабетики могут вводить этот гормон в организм только через инъекции. Из—за своей белковой структуры он разрушается ферментами желудочно-кишечного тракта, так что создание препаратов инсулина в виде таблеток сильно затруднено. Выход российские химики нашли в соединении молекулы инсулина с полимерным гелем, который служит своеобразным проводником для гормона в организм человека. Больные сахарным диабетом первого типа и часть диабетиков второго типа не могут обходиться без постоянного введения инсулина. Помимо таблеток, ученые ряда стран экспериментируют с инсулином, который можно вводить с помощью аэрозолей через нос. Однако специалисты считают, что этот метод может способствовать развитию инфекционных заболеваний дыхательной системы.






Вывод В гелеобразном состоянии находятся многие компоненты клеток, клеточных мембран. Искусственно созданные гели применяются в трансплантологии, фармакологии и других отраслях медицины. В последнее время, гелеобразные препараты стали применять все чаще и чаще. Человек постоянно совершенствует разнообразные материалы, ищет новые области их применения. С полным основанием это относится и к полимерным гелям. Как оказалось, реестр их изученных свойств еще далек от завершения, а те характеристики, которые выявляются в экспериментах, наводят на мысль, что этим молекулярным губкам, “умным” материалам, необходимо искать все новые пути их применения в медицине.
Использованная литература

1. Большая медицинская энциклопедии 2. В. Е. Липатников, К. М. Казаков. Физическая и коллоидная химия. «Высшая школа», 1968.