Новый материал представляет собой полимерную поверхность*, которая при электрическом импульсе меняет состояние с захвата биомолекул на высвобождение. Это имеет несколько возможных применений, включая использование в качестве инструмента для эффективного отделения лекарства от других биомолекул, которые клетки создают при производстве биологических лекарств. Результаты исследования были недавно опубликованы в научном журнале прикладная химия.

Биомедицинские препараты очень дороги в производстве из-за отсутствия эффективного метода разделения, и для снижения производственных затрат и, в конечном счете, затрат на лечение пациентов требуются новые методы с более высоким выходом лекарств.

"Наши полимерные поверхности предлагают новый способ разделения белков с помощью электрических сигналов для управления тем, как они связываются с поверхностью и высвобождаются из нее, не влияя при этом на структуру белка", - говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо, который публично защитил свою докторскую диссертацию по химии в Чалмерсе и является ведущим автор исследования.

Традиционный метод разделения - хроматография - плотно связывает биомолекулы с поверхностью, и для их высвобождения требуются сильные химические вещества, что приводит к потерям и низкому выходу. Многие новые лекарства оказались очень чувствительными к сильным химическим веществам, что создает серьезную производственную проблему для следующего поколения биомедицинских препаратов. Меньший расход химикатов приносит пользу окружающей среде, а ключевым свойством является тот факт, что поверхности из нового материала также можно повторно использовать в течение нескольких циклов. Этот процесс можно повторять сотни раз, не затрагивая поверхность.

Функции в биологических жидкостях

Материал также функционирует в биологических жидкостях с буферной способностью, другими словами, в жидкостях, обладающих способностью противодействовать изменениям значения рН. Это свойство примечательно, поскольку оно открывает путь для создания новой технологии имплантатов и электронных "таблеток", которые высвобождают лекарство в организм посредством электронной активации.

"Вы можете представить себе врача или компьютерную программу, измеряющую потребность пациента в новой дозе лекарства, и дистанционно управляемый сигнал, активирующий высвобождение препарата из имплантата, расположенного в той самой ткани или органе, где это необходимо", - говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо..

Местное активированное высвобождение лекарственного средства доступно сегодня в виде материалов, которые меняют свое состояние в случае изменения окружающей химической среды. Например, таблетки из рН-чувствительного материала производятся там, где требуется контролировать высвобождение лекарственного средства в желудочно-кишечном тракте, который представляет собой среду с естественными колебаниями значения рН. Но в большинстве тканей организма не происходит изменений значения рН или других химических параметров.

"Мы считаем, что способность контролировать высвобождение и поглощение белков в организме с минимальными хирургическими вмешательствами и без инъекций игл является уникальным и полезным свойством. Разработка электронных имплантатов - это лишь одно из нескольких возможных применений, которые возможны на много лет вперед. Исследования, которые помогают нам связать электронику с биологией на молекулярном уровне, являются важной частью головоломки в таком направлении", - говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо.

Еще одним преимуществом нового метода является то, что он не требует большого количества энергии. Низкое энергопотребление обусловлено тем, что толщина полимера на поверхности электрода очень тонкая, в нанометровом масштабе, что означает, что поверхность немедленно реагирует на небольшие электрохимические сигналы.

"Электроника в биологических средах часто ограничена размером батареи и движущимися механическими частями. Активация на молекулярном уровне снижает как потребность в энергии, так и потребность в движущихся частях", - говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо.

Прорыв начался с докторской диссертации

Исследование, лежащее в основе этого метода, проводилось в период, когда Ферран-Дрейк дель Кастильо был докторантом в исследовательской группе профессора Андреаса Далина из Чалмерса в отделе прикладной химии поверхности. В проекте использовались полимерные поверхности, которые меняют состояние между нейтральным и заряженным в зависимости от значения рН окружающего раствора. Затем исследователям удалось создать материал, который был достаточно прочным, чтобы оставаться на поверхности при воздействии повторяющихся электрических сигналов, и в то же время достаточно тонким, чтобы фактически изменять значение рН в результате электрохимии на поверхности.

"Вскоре после этого мы обнаружили, что можем использовать электрические сигналы для управления связыванием и высвобождением белков и биомолекул, и что материал электрода работает в биологических растворах, таких как сыворотка и центрифугированная кровь. Мы верим и надеемся, что наши открытия могут принести большую пользу при разработке новых лекарств", - говорит Андреас Далин.

В прошлом году результаты исследователей Чалмерса были переданы для разработки продукта, осуществляемой дочерней компанией Nyctea Technologies. У компании уже есть клиенты среди ведущих фармацевтических исследователей и компаний.

* Полимеры - это химические соединения, которые состоят из очень длинных цепей, состоящих из повторяющихся более мелких звеньев. Обычные пластмассы - это разновидность полимера.