Stanford-forskning kan føre til injicerbare geler, der frigiver medicin over tid

Geler dannes ved at blande polymerer i væsker for at skabe klistrede stoffer, der er nyttige til alt fra at holde hår på plads til at gøre det muligt for kontaktlinser at flyde over øjet.

Forskere ønsker at udvikle geler til sundhedsapplikationer ved at blande medicinske forbindelser, og give patienter injektioner, så gelen frigiver den aktive farmaceutiske ingrediens over en periode på måneder for at undgå ugentlige eller daglige nålepinde.

Men at stå i vejen er et problem, der er lige så let at forstå som forskellen mellem at bruge hårgelé på en strand versus i en snestorm – varme og kulde ændrer gelens karakter.

"Vi kan lave geler med de rigtige egenskaber ved langsom frigivelse ved stuetemperatur, men når vi har injiceret dem, kropsvarme ville hurtigt opløse dem og frigive medicinen for hurtigt, sagde Eric Appel, adjunkt i materialevidenskab og teknik.

I et papir publiceret 2. februar i tidsskriftet Naturkommunikation , Appel og hans team beskriver deres vellykkede første skridt mod at gøre temperaturbestandig, injicerbare geler med en blanding designet til smart at bøje termodynamikkens love.

Appel forklarede videnskaben bag dette regelbrud med en analogi til fremstilling af Jello:de faste ingredienser hældes i vand, derefter opvarmet og omrørt for at blande godt. Når blandingen afkøles, Jelloen størkner, når molekylerne binder sammen. Men hvis Jello'en genopvarmes, de solide relikvier.

Jello -eksemplet illustrerer samspillet mellem to termodynamiske begreber - entalpi, som måler den energi, der tilføres eller trækkes fra et materiale, og entropi, som beskriver hvordan energiændringer gør et materiale mere eller mindre ordnet på molekylært niveau. Appel og hans team skulle lave en medicinsk Jello, der ikke smeltede, dermed miste sine tidsfrigivelsesegenskaber, når det kølige faste stof blev opvarmet af kroppen.

For at opnå dette, Stanford-teamet skabte en gel lavet af to faste ingredienser - polymerer og nanopartikler. Polymererne var lange, spaghetti-lignende tråde, der har en naturlig tilbøjelighed til at blive viklet ind, og nanopartiklerne, kun 1/1000 bredden af ​​et menneskehår, opmuntret til denne tendens. Forskerne begyndte med separat at opløse polymererne og partiklerne i vand og derefter røre dem sammen. Da de blandende ingredienser begyndte at binde sig, polymererne viklet tæt omkring partiklerne. "Vi kalder dette vores molekylære velcro, "sagde første forfatter Anthony Yu, som udførte arbejdet som Stanford-studerende og nu er postdoc ved MIT.

Den kraftige affinitet mellem polymererne og partiklerne pressede de vandmolekyler ud, der var fanget mellem dem, og efterhånden som flere polymerer og partikler stivnede, blandingen begyndte at gelere ved stuetemperatur. Afgørende, denne geleringsproces blev opnået uden at tilføje eller trække energi fra. Da forskerne udsatte denne gel for kroppens temperatur (37,5 C), blev den ikke flydende som almindelige geler, fordi den molekylære velcro-effekt muliggjorde entropi og entalpi – orden og temperaturændringer, henholdsvis - at forblive nogenlunde i balance i overensstemmelse med termodynamikken.

Appel sagde, at det vil kræve mere arbejde at gøre injicerbar, tidsfrigivelsesgeler, der er sikre til mennesker. Mens polymererne i disse forsøg var biokompatible, partiklerne var afledt af polystyren, som almindeligvis bruges til at lave engangsbestik. Hans laboratorium forsøger allerede at lave disse termodynamisk-neutrale geler med fuldt biokompatible komponenter.

Hvis de lykkes, en time-release gel kan vise sig at være værdifuld til at give anti-malaria- eller anti-hiv-behandlinger i områder med mangel på ressourcer, hvor det er vanskeligt at administrere de korttidsvirkende midler, der er tilgængelige i øjeblikket.

"Vi forsøger at lave en gel, som du kan injicere med en nål, og så ville du have en lille klat, der ville opløses meget langsomt i tre til seks måneder for at give kontinuerlig terapi, "Appel sagde." Dette ville være en game-changer for at bekæmpe kritiske sygdomme rundt om i verden. "