Все процедуры
Узнать цену
Задать вопрос
Личный кабинет

Что такое гидрогели?

Гидрогели представляют собой нерастворимую сеть гидрофильных полимеров, способную поглощать воду и биологические жидкости. Основой для создания гидрогелей может служить целый ряд водорастворимых веществ, чаще всего гидрогели состоят из искусственно синтезированных полимеров, белков и природных молекул. Пространственная структура гидрогелей является результатом поперечной сшивки полимеров, формирующих в результате нерастворимую структуру в окружающем растворе. По содержанию воды и эластичности гидрогели схожи с биологическими тканями, что дает возможность их широкого биомедицинского применения. Некоторые ученые предполагают, что простой гидрогель способен обеспечить среду, достаточную для образования первичной клетки ( Trevors and Pollack, 2005 ).
В 1954 году учеными Wichterle и Lim при попытках создать идеальное биологически совместимое вещество был впервые синтезирован гидрогель (см. Wichterle and Lim, 1960). Гидролитически устойчивые молекулярные цепочки 2-гидроксиэтил метакрилата (2-hydroxyethyl methacrylate – HEMA) были связаны последовательностью химических связей, тем самым формируя равномерную молекулярную структуру (Wichterle, 1978).
Wichterle (1978) установил четыре критерия для построения гидрогелей:
  • Предотвращение высвобождения компонентов;
  • Стабильная химическая и биохимическая структура;
  • Высокая проницаемость для питательных веществ и метаболитов;
  • Физические характеристики приближены к живым тканям организма.
Содержание воды и механическая прочность гидрогелей схожи по значениям с человеческими тканями, что позволяет применять гидрогели в различных биомедицинских областях. Первым биомедицинским применением синтетических гидрогелей стал глазной имплантант в 1954. Впоследствии, в 1961 Wichterle из гидрогелей были созданы мягкие контактные линзы (см. Wichterle, 1978). С тех пор биомедицинское применение гидрогелей сильно расширилось и включило в себя повязки на раны, системы доставки лекарственных веществ к участку действия, системы для гемодиализа, искусственную кожу и тканевую инженерию (Moise et al., 1977; Corkhill et al., 1989; Murphy et al., 1992; Peppas et al., 2000; Bouhadir et al., 2001; Nguyen and West, 2002; Nuttleman et al., 2002; Flynn et al., 2003; Wang et al., 2003; Brown et al., 2005; Levesque et al., 2005; Li et al., 2006; Varghese and Elisseeff, 2006). Структурные сходства гидрогелей и внеклеточного матрикса человека (extracellular matrix – ECM) позволяют применять гидрогели в качестве каркаса при клеточной инженерии тканей (Varghese и Elisseeff, 2006).
Тканевая инженерия является многодисциплинарной отраслью, применяющей различные подходы инженерии, биологии, клеточной и молекулярной биологии для развития биологических заменителей для восстановления, поддержания и улучшения тканевых функций (Mooney and Mikos, 1999). В основе тканевой инженерии лежит три компонента:
  • Репаративные клетки, которые смогут сформировать функциональный матрикс;
  • Подходящий каркас для трансплантации и основы;
  • Биоактивные молекулы, такие как цитокины и факторы роста, которые будут поддерживать желаемую ткань и управлять ее формированием (Sharma и Elisseeff, 2004).
При регенерации органов и тканей данные компонента могут быть использованы индивидуально или в комбинации друг с другом.
Четыре критерия Wichterle для построения гидрогелей сопоставимы с принципами каркаса для клеточной инженерии тканей. Каркас должен быть биологически совместим и преобразовывать свою форму и структуру для интеграции в необходимую ткань. Для гидрогелей показано плотное взаимодействие с тканями с малой адгезией, а также гидрогели вызывают минимальный иммунный ответ (Sawhney et al., 1994). Кроме того, каркас должен обладать способностью заключать в себя клетки и способствовать их пролиферации без повреждения клеток или выхода компонентов. Необходимым для каркаса также является его проницаемость для диффузии питательных веществ и метаболитов между клетками и их местным окружением. (Peppas et al., 2000; Varghese and Elisseeff, 2006). Гидрогели имеют два дополнительных преимущества для тканевой инженерии. Во-первых, как вещество с потенциально минимальной инвазией, они затвердевают in situ внутри дефектного участка организма, тем самым избегая открытых операций для имплантации (Anseth et al., 2002). Гидрогели могут сшиваться под воздействием мягких условий так, что инкапсулированные клетки переживают физические и химические изменения, вызывающие гелеобразование (Elisseeff et al., 2000; Wang et al., 2003). Во-вторых, каркас должен обладать способностью к биоразрушению после того, как клеточный компонент пролиферирует в функциональную ткань, а данным свойством обладают некоторые гидрогели (Anseth et al., 2002). Разрушение каркаса повышает временно-пространственный контроль конструируемой ткани (Anseth et al., 2002).