機械的、熱的、化学的に誘発された損傷から回復し、外部からの支援なしに元の特性を回復する独自の能力を備えた材料があります。「自己修復」材料として知られるこれらの物質は、創傷ケア、医療機器、ドラッグデリバリーなどアプリケーション、適用、応用用できる生物医学分野の有望な研究、リサーチ、調査分野です。
ヒトの組織や体内の複雑な状態に対応しながら自己治癒できるのは特定の物質だけです。CAS コンテンツコレクションを使用した最新の研究、リサーチ、調査TM これらの生物医学の進歩にとって最も大きな可能性を秘めている材料と、すでに最大の進歩を遂げたアプリケーション、適用、応用が明らかになります。
自己修復材料の仕組み
「自己修復」とは、損傷を受けた後にマクロレベルまたは分子レベルで自己修復できる多くの材料を指します。生物医学的アプリケーション、適用、応用では、最も一般的に使用される自己修復材料には、可逆的な化学の、化学的な、化学薬品、化学物質、ケミカル結合を形成できるように改質されたポリマー、つまり互いに結合した大きな分子が組み込まれています。キトサンなどの天然由来材料やPEGなどの合成材料を含む多種多様なポリマーが、自己治癒型の生物医学アプリケーション、適用、応用で活発に研究されています。無機材料、配位化合物、金属も現在の文献、印刷物、文学、著述によく記載されています（図1を参照）。
ポリマーは、柔軟性や生体適合性などの特性を備えており、これらは人体での使用に重要です。また、他の特性に加えて自己修復作用に関与するように設計できるサイドグループを持つこともできます。たとえば、自己修復材料は、化学の、化学的な、化学薬品、化学物質、ケミカルに水素結合が含まれていることが多く、これはタンパク質によく見られるもので、室温でも簡単に壊れたり再形成されたりする可能性があります。
その改革はどのようなものですか？ゲル状の物質が針に押し込まれているところを考えてみましょう。ゲルに可逆的な自己修復結合が含まれている場合、針を通過する際にゲルにかかる応力によってそれらの結合が一時的に切断され、液体のようになります。
その後、これらの結合が再形成され、注射後に体内の物質のゲル状の特性が回復します。
現在および将来の医療アプリケーション、適用、応用
自己治癒材料は、すでに多くの移植デバイス、創傷被覆材、および薬物送達システムで使用されています。今日最も注目されている研究、リサーチ、調査には、ハイドロゲルに関するものがあります。ハイドロゲルは、自己治癒特性を持つように設計できる水ベースの生体適合性材料の大部分です。ソフトコンタクトレンズは、生物医学用途におけるハイドロゲルの一例ですが、研究者はこれらの材料のさらなる潜在的な用途を発見しています。
- 創傷ケア: ハイドロゲルは、その柔らかさと柔軟性でヒトの組織を模倣することができ、抗菌特性を利用して作製することもでき、そのすべてが創傷治癒に役立ちます。たとえば、ある研究者グループが、不規則な深部火傷床に注入できるヒドロゲルを開発しました。また、膝や肘など、頻繁に体を伸ばす部位の近くの傷に対して、注射可能な生体適合性のある自己治癒性ハイドロゲルを作った企業もあります。
特に、これらのヒドロゲルにはキトサンやセルロースなどの天然ポリマーが使用されています。これらの植物由来の素材は、体内での安定性に優れ、広く利用可能、使用可能、入手できる、有効であるされています。また、化学的に修飾して自己治癒特性を持たせることもできます。これが、天然ポリマーがヒドロゲルに関する出版物で頻繁に引用されている理由です（図2を参照）。
- ティッシュ足場： 自己治癒型ハイドロゲルは、再生医療、特に組織や臓器の発達を促進する効果が期待されています。足場の役割を果たすと、これらの材料は怪我をしても体内で自己修復できるため、組織の成長と修復が促進されます。
たとえば、研究者たちは、ポリアクリルアミド（PAAM）とゼラチンを使用して、機械的に適合した相互浸透性ポリマーネットワーク（IPN）ヒドロゲルを開発しました。PAAM/ゼラチンヒドロゲルは、物理的および化学の、化学的な、化学薬品、化学物質、ケミカル特性が天然の声帯組織と一致していたため、音声修復用の人工接着組織インプラントとして機能しました。
中国の研究者はまた、筋肉生成用の繊維-ヒドロゲル複合足場を開発しました。ファイバーは、グラフェン、メラトニン、およびポリ乳酸やポリカプロラクトンなどの生体適合性ポリマーの混合物からエレクトロスピニングされ、ヒドロゲルマトリックスとしてヒアルロン酸誘導体が使用されました。
ある研究者グループが実証したように、ヒドロゲルは硬組織の再生にも使用できます。ハイドロゲル複合体には、ポリアクリル酸-カルボキシメチルキトサン処理象牙質マトリックスと可逆結合を形成するリン酸カルシウムが含まれており、続いてマトリックスに動的なイオン結合と水素結合が続きました。この研究は、ヒドロゲルがその生体活性、生物活性保持し、象牙質/骨硬組織の再生を促進することを示しました。
- ドラッグデリバリー: ハイドロゲルは、針を通るせん断ひずみがかかると切断する可逆的な架橋を設計できます。ゲルは注射中に液体のように流れ、体内でゲルに再形成されます。これらの材料には、たとえばマイクロカプセルに医薬品を詰め込んで、目的の場所に届けることもできます。
たとえば、研究者たちは、pH応答性の注射用ヒドロゲルががん治療薬を体内の特定の部位に送達し、送達後に分解できることを示しました。別の研究チーム、ヒドロゲルを使用して化学療法を行い、注射後に超音波ホーンを使用して薬剤を活性化しました。さらに別のヒドロゲルを腫瘍切除腔に注入して、手術後に残存したがん細胞を標的とする電気療法を実施しました。この二相性材料により、腫瘍部位の近くに低電圧電界を発生させながら、電極を空洞の端に合わせることができました。
注目すべき主な資料
CAS コンテンツコレクションの文書と引用分析、解析、過去20年間に自己修復資料に関するジャーナル出版物が着実に増加していることがわかりました。最近のジャーナルと特許比率の上昇は、商業化よりも初期段階の開発にまだ焦点が当てられていることを示唆しています。
共有結合や非共有結合など、多くの化学の、化学的な、化学薬品、化学物質、ケミカル相互作用を利用してポリマーに自己修復特性を付与できます。共有結合相互作用の例としては、動的シッフ塩基結合があります。動的シッフ塩基結合は生体材料に広く使用されており、過去5年間で大幅に増加しています。これらの結合は、求核試薬とアルデヒドまたはケトンとの反応、応答に基づいて結合（通常はイミンまたはオキシム）を形成します。結合は水の存在下で可逆的です。その一例が、ジアルデヒド変性ヒアルロン酸とシスタミンの混合物をベースにした自己治癒型ハイドロゲルです。
先に述べたように、水素結合は、疎水性相互作用、ホスト-ゲスト相互作用、静電相互作用、パイ-パイスタッキング、金属-配位子配位相互作用、特にカテコールと鉄（III）イオン間の相互作用と並んで、一般的な非共有結合相互作用です。
また、ポリウレタンの合成に使用されるジイソシアネート（図3を参照）の使用も大幅に増加しています。これは、ポリウレタンが自己修復材料に含まれる新しい種類の物質であることを示唆しています。最近の特許文献では、自己治癒性創傷被覆材に使用されるポリウレタンと、水素結合とジスルフィド結合に基づく自己治癒特性を備えたヘパリン官能化ポリウレタンが議論されています。
今日の研究、リサーチ、調査、明日のブレークスルー
自己治癒材料は、医療用に広く商品化される前に克服すべき多くのハードルがまだあります。多くの場合、安全性と有効性を確保するために広範な臨床試験を受ける必要があります。これらのイノベーションは主に実験的なものですが、個別化医療と患者の生活の質の向上には計り知れない可能性を秘めています。治癒を早め、感染を防ぎ、体の届きにくい部位に薬を届け、体のシステムを支援する装置を改善することができます。
科学的な、科学の界は、自然界の最高の素材と化学の革新利益効果、てこ入れ、することで、自己治癒性のある材料で健康と回復の新たな可能性を切り開くことができます。自己修復材料と急速に進化するバイオマテリアルの分野における新たなトレンドについて、最新の記事で詳しく学んでください インサイトレポート。
この記事には、中国のウェストレイク大学と共同で完了した研究、リサーチ、調査が組み込まれています。
