Hydrogeler: Skreddersydde materialer

Mye av dagens materialforskning dreier seg om myke materialer. Tverrfaglig forskning mellom kjemi og farmasi fokuserer nå på hydrogeler. Disse stoffene kan blant annet brukes til å skreddersy materialer som midlertidig erstatter tapt vev eller frisetter medikamenter i kroppen.

FIGUR 1: En hydrogel som består av 96 prosent vann og fire prosent polymer. Hydrogelen er tilsatt noe fargestoff. Merk lasten som hydrogelen bærer; økes belastningen ytterligere, vil gelen deformeres kraftig, men den går tilbake til sin opprinnelige form når lasten fjernes. I hydrogelen er det også innstøpt fargete plastkuler for å illustrere at gelen kan være fysisk bærer av andre stoffer.Foto: Ståle Skogstad (©)

Hydrogeler er en type material som får mer og mer betydning i mange anvendelser. I motsetning til konvensjonelle materialer, eksempelvis metaller, keramer, og plast som er tørre og harde, er hydrogeler våte og myke materialer. Hydrogeler har fått en utbredt bruk for eksempel som material i myke kontaktlinser, material for proteinseparasjon og matriser for innkapsling av celler. Det forskes for tiden mye på skreddersydde hydrogeler for nye anvendelser som blant annet material for omslag på sår, material for erstatning av vev (levende organismer er for en stor del laget av hydrogeler) og material for kontrollert frisetting av legemiddel i kroppen.

Ved Universitetet i Oslo pågår det nå innen dette feltet et tverrfaglig samarbeid mellom kjemi og farmasi på som har flere innfallsvinkler. Fra et kjemisk ståsted undersøkes fremstilling av hydrogeler med spesielle egenskaper og hvor egenskapene kan endres ved bruk. Hensikten er å kunne endre hydrogelens egenskaper ved ytre påvirkning og måle de forandringer som skjer i gelen. Den ytre påvirkningen kan skje ved å endre surhetsgraden (pH) i mediet som omgir hydrogelen, utsette hydrogelen for trykkbelastning, elektrisk felt eller temperaturforandring eller ved å eksponere hydrogelen for lys. Fra et farmasøytisk ståsted er målet å finne nye sammensetninger for medisiner (legemiddelsubstans samt hjelpestoffer) hvor det er mulig å styre frisettingen av molekylene i legemidlene slik at en optimal virkning kan forutsies og oppnås. Dette ønsker vi å oppnå ved å ”pakke inn” legemiddelsmolekylene i en matriks – en hydrogel – fra hvilken legemidlet kan frigis etter en fastsatt frisettingsprofil. Målet med forskningen er å utvikle nye typer hydrogeler og å forstå hvordan deres egenskaper kan styres på en kontrollerbar måte og skreddersy hydrogelen til en spesifikk formulering.

Hva er en hydrogel? En hydrogel består av en elastisk tredimensjonal polymer nettverksstruktur og vann som fyller rommet mellom polymerkjedene. En polymer (makromolekyl) er et stort molekyl bygd opp av mange små enheter (monomere) som er lenket sammen i en kjede - et ”perlehalsbånd”. Dette nettverket av lange polymerkjeder holder vannet på plass og gir hydrogelen en bestemt fasthet. Hydrogelens egenskaper styres av et samspill mellom polymer og vann. Fra tørr tilstand kan en slik nettverksstruktur ta opp betydelige mengder vann (gelen sveller til et bestemt volum), i mange tilfeller inntil flere tusen ganger sin egen tørrvekt. Polymerkjedenes kjemiske sammensetning vil være avgjørende for hvilken grad av svelling man får. En hydrogel hvor polymerkjedene for eksempel har negativt ladede grupper, vil svelle mer (på grunn av frastøting mellom like ladninger) enn en hydrogel hvor polymerkjedene er uladede. Har polymerkjedene i nettverket en gruppe som blir ladet i surt miljø og uladet i basisk miljø, vil man kunne styre graden av svelling ved å forandre surhetsgraden (pH) – hydrogelen vil ekspandere eller krympe avhengig av pH.

Levende organismer er for en stor del laget av hydrogeler; pattedyrsvev er bygd opp av protein- eller polysakkaridnettverk hvor vanninnholdet er opptil 90 prosent. Dette gjør det mulig for organismen lett å transportere ioner og molekyler samtidig som fastheten beholdes. Figur 1 viser en hydrogel bygd opp av et kjemisk modifisert protein, som inneholder 96 vektsprosent vann. Hvordan fremstilles en hydrogel? Hydrogelen kalles ”permanent” eller ”kjemisk” når polymerkjedene i nettverket holdes sammen av kjemiske bindninger. En permanent hydrogel kan fremstilles på to måter. I den ene metoden løses først små molekyler (monomerer) i vann, og i en kjemisk reaksjon (polymerisasjon) bygges lange kjedemolekyler (polymerer) opp. Har man en blanding av to ulike monomerer, og den ene monomeren kan bindes inn i to forskjellige polymerkjeder under reaksjonen, dannes et knutepunkt mellom kjedene. Ved gjentakelse av denne knutepunktsdannelsen kan et nettverk bygges opp. Hydrogeler som for eksempel brukes som material i myke kontaktlinser eller for proteinseparasjon, er fremstilt på denne måten. I den alternative metoden løser man først opp en polymer i vann. Deretter tilsettes et kjemisk stoff som kan reagere med to grupper på to forskjellige polymerkjeder og dermed danne et knutepunkt. Når reaksjonen går, dannes det flere og flere knutepunkter og et nettverk utvikles. Ved begge metodene kan reaksjonen startes ved hjelp av ultrafiolett eller synlig lys, for eksempel fra en laser. Hydrogelen kalles ”reversibel” eller ”fysisk” når kjedene i nettverket holdes sammen av molekylære floker og/eller fysiske krefter som ”hydrogenbindning”, attraksjon mellom motsatt ladede ioner eller assosiasjon mellom grupper som ikke liker vann (hydrofobe grupper).

Hydrogelen i figur 1 er en såkalt termoreversibel gel. Den fremstilles ved først å løse polymeren gelatin i varmt vann. Ved nedkjøling omdannes løsningen til en hydrogel. Varmes nå gelen opp til cirka 50-60 oC, går den tilbake til en tregtflytende løsning; dermed vil det innkapslede ”stoffet” (plastkulene) frisettes. Det finnes også eksempel på hydrogeler som dannes ved oppvarming av en løsning.

Belysning av en hydrogel

FIGUR 2: Ved å belyse en hydrogel som inneholder et fotosensitivt molekyl med laserlys, kan gelnettverket brytes opp, slik at vi får en løsning. Foto: Ståle Skogstad (©)

Når hydrogeler skal brukes i farmasøytiske sammenhenger, er det viktig å kjenne gelens fysikalsk-kjemiske egenskaper. I tillegg er det viktig å vite om den anvendte polymer er biologisk nedbrytbar og hvor nedbrytningsproduktene blir av dersom legemiddelsformuleringen er til innvortes bruk. I en tablettformulering kan polymerkomponenten for eksempel være alginat (se faktaramme) hvor polymeren sveller i magesaft (lavt pH) og danner en hydrogel som forsinker frisettingen av legemidlet. Frisettingen vil skje etter en tidsbestemt profil som er annerledes enn for tradisjonelle formuleringer hvor mengden frigjort legemiddel øker raskt til et maksimum for deretter å avta. En langsom frisetting kan være gunstig når man skal gi et kraftig virkende legemiddel.

Figur 2 viser et eksperiment hvor laserlys brukes for å belyse en hydrogel som er tilsatt et lysfølsomt stoff; deretter undersøkes i hvilken grad gelen er brutt ned. Fra et farmasøytisk synspunkt er det lagt vekt på applikasjoner av hydrogeler i forbindelse med kontrollert frisetting av legemidler – såkalte smarte hydrogeler. For å styre frigjøringen av legemidlene er det nødvendig å ha god kjennskap til hvordan den polymeren som matriksen (hydrogelen) er bygd opp av, kan påvirkes.

Fakta

Noen eksempler på ”reversible” hydrogeler: Alginat er en naturlig forekommende polymer (polysakkarid) som utvinnes fra tang. Polymeren er løselig i vann; det er negativt ladede grupper langs polymerkjeden. Tilsettes et egnet positivt ladet ion, kan den danne en bru mellom to negativt ladede grupper på to forskjellige alginatkjeder – man får et fysisk knutepunkt mellom to kjeder. Suksessivt bygges det opp en nettverksstruktur i løsningen, og resultatet er en hydrogel. Fjernes den positivt ladede ionen får man tilbake en tregtflytende løsning – prosessen er reversibel.

Alternativt kan alginatløsningen omvandles til en hydrogel ved å surgjøre løsningen. Ved lavt pH er det ingen ladede grupper på polymerkjeden. Knutepunktene vil da utgjøres av ”hydrogenbindninger” – et hydrogenatom danner en bru mellom to kjeder. Legges den ferdige hydrogelen ned i en basisk løsning (høyt pH), brytes knutepunktene og gelen går tilbake til en løsning.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Kjemi Av Bo Nystrøm og Jaan Roots, Kjemisk institutt og Jan Karlsen og Hanne Hjorth Tønnesen, Farmasøytisk institutt
Publisert 1. feb. 2012 12:06
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere