기계적, 열적, 화학적 손상으로부터 외부의 도움 없이 원래의 특성을 복원할 수 있는 독특한 능력을 가진 물질이 있습니다.“자가 치유” 물질로 알려진 이러한 물질은 상처 치료, 의료 기기, 약물 전달 등에 응용 분야가 있는 생물 의학 분야에서 유망한 연구 분야입니다.
특정 물질만이 인체 조직 및 신체 내부의 복잡한 상태와 호환되는 동시에 자가 치유가 가능합니다.CAS Content Collection을 사용한 최신 연구TM 이러한 생물의학 발전의 잠재력이 가장 큰 재료는 무엇인지, 그리고 어떤 응용 분야가 이미 가장 큰 발전을 이루었는지 보여줍니다.
자가 치유 재료의 작동 원리
“자가 치유”란 손상된 후 거시적 또는 분자 수준에서 스스로 복구할 수 있는 많은 물질을 의미할 수 있습니다.생물 의학 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 자가 치유 재료에는 가역적인 화학 결합을 형성할 수 있도록 변형된 폴리머 (즉, 큰 분자가 서로 결합되어 있음) 가 포함됩니다.키토산과 같은 천연 유래 물질과 PEG와 같은 합성 물질을 포함한 다양한 폴리머가 자가 치유 생물 의학 응용 분야에서 활발히 연구되고 있습니다.무기 물질, 배위 화합물 및 금속도 현재 문헌에 잘 나와 있습니다 (그림 1 참조).
폴리머는 인체에 사용하기에 중요한 유연성 및 생체 적합성과 같은 특성을 특징으로 합니다.또한 다른 특성 외에도 자가 치유 상호 작용에 참여하도록 설계할 수 있는 사이드 그룹을 가질 수 있습니다.예를 들어, 자가 치유 물질은 화학 구성에 수소 결합이 있는 경우가 많은데, 이는 단백질에서 흔히 볼 수 있으며 실온에서도 쉽게 끊어지고 재형성될 수 있습니다.
그 개혁은 어떤 모습일까요?젤과 같은 물질이 바늘을 통해 밀려나는 것을 생각해 보십시오.젤에 가역적인 자가 치유 결합이 포함되어 있는 경우 젤이 바늘을 통과할 때 가해지는 스트레스로 인해 이러한 결합이 일시적으로 끊어져 액체처럼 변할 수 있습니다.
그런 다음 이러한 결합이 다시 형성되어 주사 후 체내 물질의 젤 유형 특성을 복원할 수 있습니다.
현재 및 미래의 의료 응용 부문
자가 치유 재료는 이미 많은 이식 장치, 상처 드레싱 및 약물 전달 시스템에 사용되고 있습니다.오늘날 가장 흥미로운 연구 중 일부는 자가 치유 특성을 갖도록 설계할 수 있는 수성 생체적합성 물질로 구성된 대형 우산인 하이드로겔에 관한 것입니다.소프트 콘택트렌즈는 생의학 분야에서 사용되는 하이드로겔의 예이지만, 연구자들은 이러한 물질의 잠재적 용도를 훨씬 더 많이 발견하고 있습니다.
- 상처 치료: 하이드로겔은 부드러움과 유연성으로 인체 조직을 모방할 수 있으며 상처 치유를 돕는 항균 특성을 갖도록 설계될 수 있습니다.예를 들어, 한 연구팀은 불규칙한 깊은 화상 상처 부위에 주사할 수 있는 하이드로겔을 개발했습니다.다른 연구에서는 무릎과 팔꿈치 등 잦은 스트레칭을 겪는 신체 부위 근처의 상처를 위해 주사 가능한 생체적합성 자가 치유 하이드로겔을 만들었습니다.
특히 이러한 하이드로겔에는 키토산 및 셀룰로오스와 같은 천연 고분자가 사용됩니다.이러한 식물 유래 물질은 체내에서 우수한 안정성을 제공하며 널리 사용 가능합니다.또한 자가 치유 특성을 갖도록 화학적으로 변형될 수 있는데, 이는 천연 고분자가 하이드로겔에 관한 간행물에서 자주 인용되는 이유를 설명합니다 (그림 2 참조).
- 조직 스캐폴딩: 자가 치유 하이드로겔은 특히 조직과 기관의 발달을 촉진하는 재생 의학 분야에서 가능성을 보여주고 있습니다.스캐폴드 역할을 할 때 이러한 물질은 부상을 입더라도 신체 내부에서 스스로 회복되어 조직 성장 및 복구를 촉진할 수 있습니다.
예를 들어, 연구원들은 폴리아크릴아미드 (PAAM) 와 젤라틴을 사용하여 기계적으로 호환되는 상호 침투 폴리머 네트워크 (IPN) 하이드로겔을 개발했습니다.PAAM/젤라틴 하이드로겔은 물리적, 화학적 특성 면에서 천연 성대 조직과 일치하므로 음성 복구를 위한 인공 접착 조직 임플란트로 기능했습니다.
중국의 연구원들은 또한 근육 생성을 위한 섬유-하이드로겔 복합 스캐폴드를 개발했습니다.섬유는 그래핀, 멜라토닌 및 폴리락트산 또는 폴리카프로락톤과 같은 생체적합성 고분자의 혼합물에서 전기방사되었으며, 히알루론산 유도체는 하이드로겔 매트릭스로 사용되었습니다.
한 연구자들이 입증한 바와 같이 하이드로겔은 경조직 재생에도 사용될 수 있습니다.하이드로겔 복합체는 폴리아크릴산-카르복시메틸 키토산으로 처리된 상아질 매트릭스와 가역적 결합을 형성하는 인산칼슘을 포함하고, 이어서 매트릭스에서 동적 이온 및 수소 결합이 뒤따랐다.이 연구는 하이드로 겔이 생체 활성을 유지하고 상아질/뼈 경조직의 재생을 촉진한다는 것을 보여주었습니다.
- 약물 전달: 하이드로겔은 바늘을 통과하는 전단 변형이 발생할 때 파손되는 가역적 가교결합으로 설계할 수 있습니다.젤은 주사 시 액체처럼 흐르다가 체내에서 젤로 다시 형성될 수 있습니다.또한 이러한 물질에는 마이크로캡슐과 같은 약물을 적재하여 대상 위치로 전달할 수 있습니다.
예를 들어, 연구자들은 pH에 반응하는 주사 가능한 하이드로겔이 신체의 특정 부위에 암 치료 약물을 전달한 다음 전달 후 분해할 수 있다는 것을 보여주었습니다.또 다른 연구팀은 하이드로겔을 사용하여 화학 요법을 시행했으며 주사 후 초음파 경적을 사용하여 약물을 활성화했습니다.또 다른 하이드로겔을 종양 절제강에 주입하여 수술 후 잔류 암세포를 표적으로 하는 전기 요법을 시행했습니다.2상 물질은 전극이 캐비티의 가장자리에 잘 맞도록 하는 동시에 종양 부위 근처에서 저전압 전기장을 생성할 수 있도록 했습니다.
주목해야 할 주요 자료
CAS Content Collection의 문서 및 인용을 분석한 결과 지난 20년 동안 자가 치유 물질에 대한 학술지 간행물이 꾸준히 증가한 것으로 나타났습니다.최근 학술지 대 특허 비율의 증가는 여전히 상용화보다는 초기 단계 개발에 초점을 맞추고 있음을 시사합니다.
공유 결합 및 비공유 결합을 포함하여 많은 화학 상호 작용을 사용하여 폴리머에 자가 치유 특성을 부여할 수 있습니다.공유 상호작용의 예로는 생체 재료에 널리 사용되고 있으며 지난 5년 동안 크게 성장한 동적 쉬프 염기 결합이 있습니다.이러한 결합은 친핵체와 알데히드 또는 케톤 사이의 반응에 기반하여 결합 (일반적으로 이민 또는 옥심) 을 형성하며, 이는 물이 있을 때 가역적입니다.디알데히드로 변형된 히알루론산과 시스타민의 혼합물을 기반으로 한 자가 치유 하이드로겔이 그 예입니다.
앞서 언급한 바와 같이 수소 결합은 소수성, 호스트-게스트, 정전기, π-π 적층 및 금속-리간드 배위 상호작용, 특히 카테콜과 철 (III) 이온 간의 상호작용과 함께 일반적인 비공유 상호작용입니다.
또한 폴리우레탄 합성에 사용되는 디이소시아네이트 (그림 3 참조) 의 사용도 크게 증가하고 있습니다.이는 폴리우레탄이 자가 치유 물질에 새롭게 등장하고 있는 물질임을 시사합니다.최근 특허 간행물에서는 자가 치유 상처 드레싱에 사용되는 폴리우레탄과 수소 결합 및 이황화 결합을 기반으로 하는 자가 치유 특성을 갖는 헤파린 기능성 폴리우레탄에 대해 논의했습니다.
오늘의 연구, 내일의 혁신
자가 치유 소재가 의료용으로 널리 상용화되기 전에 극복해야 할 장애물이 여전히 많습니다.안전성과 효능을 보장하기 위해 광범위한 임상 시험을 거쳐야 하는 경우가 많습니다.이러한 혁신은 대체로 실험적인 단계이긴 하지만 맞춤형 의료 및 환자의 삶의 질 향상에 대한 엄청난 잠재력을 지니고 있습니다.치유 속도를 높이고, 감염을 예방하고, 도달하기 어려운 신체 부위에 약물을 전달하고, 신체 시스템을 보조하는 장치를 개선할 수 있습니다.
과학 커뮤니티는 자연 최고의 재료를 화학 혁신과 함께 활용함으로써 자가 치유 재료를 통해 건강 및 회복을 위한 새로운 가능성을 열 수 있습니다.자가 치유 소재와 빠르게 진화하는 바이오 소재 분야의 최신 트렌드에 대해 자세히 알아보십시오. 인사이트 리포트.
이 기사에는 중국 웨스트레이크 대학교와 공동으로 수행한 연구가 포함되어 있습니다.
