ナノ複合ハイドロゲル

ナノコンポジットハイドロゲル（NCゲル）は、ナノ材料を充填した水和ポリマーネットワークで、従来のハイドロゲルに比べて高い弾性と強度を示します。ナノコンポジットネットワークの設計には、さまざまな天然および合成ポリマーが使用されます。ナノ粒子とポリマー鎖の相互作用を制御することで、さまざまな物理的、化学的、生物学的特性を設計できます。^[1]有機（ポリマー）と無機（粘土）構造の組み合わせにより、これらのハイドロゲルは、どちらかの材料だけでは達成できない、物理的、化学的、電気的、生物学的、および膨張/収縮特性が向上します。^[2]柔軟な生物組織に触発された研究者は、炭素ベース、ポリマー、セラミック、および/または金属のナノ材料を組み込んで、これらのハイドロゲルに光学特性や刺激感度などの優れた特性を与えています。これは、医療（特に薬物送達と幹細胞工学）および機械分野に非常に役立つ可能性があります。^[2]

ナノ複合ハイドロゲルは、ハイドロゲルで構成されたナノ粒子であるナノゲルと混同しないでください。

ナノ複合ハイドロゲルの合成は、特定の材料と方法を必要とするプロセスです。これらのポリマーは、水の存在下で膨潤および剥離できる、等間隔に配置された直径 30 nm の粘土板で構成されている必要があります。板は架橋剤として機能し、分子機能を変更して、ハイドロゲルが生物組織に非常によく似た優れた弾性と靭性を持つようにします。^[3]水中で膨潤または剥離しない粘土板を使用したり、N,N-メチレンビスアクリルアミド (BIS) などの有機架橋剤を使用したり、粘土と BIS を混合したり、架橋以外の方法でナノ複合ハイドロゲルを調製したりしても、成功しません。^[4]

あらゆる仕様にもかかわらず、ナノ複合ハイドロゲルの合成プロセスは単純であり、材料の柔軟な性質により、これらのハイドロゲルは、巨大なブロック、シート、薄膜、ロッド、中空チューブ、球、ベローズ、凹凸のあるシートなど、さまざまな形状に簡単に作ることができます。^[5]

ナノ複合ハイドロゲルは強靭で、伸張、曲げ、結び目、圧縮、その他の変形に耐えることができます。

ナノ複合ハイドロゲルの引張試験を行い、室温で伸長させたときに生じる応力と歪みを測定しました。結果は、この材料が元の長さの1000%まで引き伸ばすことができることを示しています。^[6]

ヒステリシスはナノ複合ハイドロゲルの圧縮特性を測定するために使用され、この材料が約 90% の圧縮に耐えられることを示しています。このデータは、ナノ複合ハイドロゲルが、従来製造されたハイドロゲルに比べて優れた強度を示すことを示しています。従来製造されたハイドロゲルは、より低い圧縮でも壊れてしまいます。

粘土粒子の多孔質ネットワークにより、ナノ複合ハイドロゲルは水の存在下で膨潤することができます。膨潤（および脱膨潤）は、NCゲルと従来のハイドロゲル（ORゲル）を区別するものであり、ORゲルにはない特性です。NCゲルの膨潤特性により、周囲の水溶液に溶解するのではなく、それを収集できるため、薬物送達キャリアとして適しています。^[7]

ナノ複合ハイドロゲルは温度に敏感であることが観察されており、周囲の環境が変化すると温度が変わります。^[8]無機塩が吸収されるとハイドロゲルの温度は低下しますが、陽イオン界面活性剤は温度を逆に変化させます。これらのハイドロゲルの温度は摂氏約 40 度であるため、生体材料として使用できる可能性があります。^[9]ハイドロゲルの刺激感受性により、体の状態の変化に応じて薬剤を送達するようにハイドロゲルを設計できる応答性放出システムが可能になります。

炭素系ナノ材料で強化されたナノ複合ハイドロゲルは機械的に強靭で導電性があり、バイオメディカル、組織工学、薬物送達、バイオセンシングなどの用途に適しています。これらのハイドロゲルの電気伝導特性により、神経、筋肉、心臓組織の特性を模倣することができます。しかし、これらのナノ複合ハイドロゲルは実験室環境で人間の組織のいくつかの機能を実証していますが、組織の代替品としての有用性を確実にするためにはさらなる研究が必要です。^[10]

ポリマーナノ粒子を組み込んだナノ複合ハイドロゲルは、薬物送達や組織工学向けにカスタマイズされています。ポリマーナノ粒子を添加することで、これらのハイドロゲルは強化されたポリマーネットワークとなり、より硬くなり、遺伝子やタンパク質とともに親水性および疎水性の薬物を封入する能力を持ちます。高い応力吸収特性により、軟骨組織工学の候補となる可能性があります。^[10]

ナノ複合ハイドロゲルに使用される無機ナノ粒子のほとんどは、すでに体内に存在し、体内に必要であるため、体に悪影響を及ぼしません。カルシウムやシリコンなど、一部のナノ粒子は骨量減少や骨格の発達を防ぐのに役立ちます。ナノクレイなどの他のナノ粒子は、ハイドロゲルの構造形成と特性を改善し、自己修復特性、難燃構造、弾力性、超ガスバリア膜、撥油性などを獲得します。ナノ複合ハイドロゲルに無機ナノ粒子を組み込むことで得られる独自の特性により、研究者は骨関連の組織工学の改善に取り組むことができます。^[10]

金属の電気伝導性、熱伝導性、磁性は、ナノ複合ハイドロゲルに組み込むことで、電気伝導性と抗菌​​性を高めます。電気伝導性は、ハイドロゲルが機能組織を形成し、イメージング剤、薬物送達システム、導電性足場、スイッチング電子機器、アクチュエータ、センサーとして使用するために必要です。^[要出典]

研究者たちは、組織工学のプロセスをより効率的にし、人体への侵襲性を低減するために、組織の特性を模倣できる材料を探してきました。架橋によって作られたナノ複合ハイドロゲルの多孔質の相互接続ネットワークにより、老廃物や栄養素が構造に出入りしやすくなり、その弾性特性により、事前の成形を必要とせずに目的の解剖学的形状を得ることができます。この材料の多孔質構造により、ハイドロゲル内に存在する医薬品化合物が容易に逃げて体内に吸収されるため、薬物送達プロセスも容易になります。それとは別に、研究者たちは、医療および食品包装や水処理における抗菌用途や微生物除去のために、銀ナノ粒子をナノ複合ハイドロゲルに組み込むことも検討しています。ナノ粒子を注入したハイドロゲルには、組織工学、化学および生物センシング、薬物および遺伝子送達など、多くの生物学的用途があります。

組織の代替物として、ナノ複合ハイドロゲルは細胞と相互作用し、機能的な組織を形成する必要があります。組み込まれたナノ粒子とナノ材料により、これらのハイドロゲルはほとんどの天然組織の物理的、化学的、電気的、および生物学的特性を模倣できます。各タイプのナノ複合ハイドロゲルには独自の特性があり、特定の種類の動物組織を模倣できます。

ナノ複合ハイドロゲルの出現により、さまざまなサイズの薬剤をより部位特異的かつ時間制御された方法で、安全性と特異性を向上させて送達することが可能になりました。薬剤を材料に挿入する方法（溶解、包み込み、付着など）に応じて、薬剤キャリアはナノ粒子、ナノスフィア（薬剤がポリマーネットワーク全体に均一に分散されている）、ナノカプセル（薬剤がポリマーシェル構造に囲まれている）など、さまざまな名前で呼ばれます。^[7]この材料の弾性特性により、ハイドロゲルは標的部位の形状を獲得できるため、ハイドロゲルを同一に製造してすべての患者に使用することができます。^[11]

ハイドロゲルは、望ましい特性を持つように設計できる制御された薬物送達剤です。^[12]具体的には、ハイドロゲルは、温度やpHなどの環境の物理的特性に応じて薬物やその他の物質を放出するように設計できます。^[12]ハイドロゲルの応答性は、その分子構造とポリマーネットワークの結果です。^[12]

ハイドロゲルナノ粒子は、薬物送達分野で将来有望です。理想的には、薬物送達システムは、「…治療薬の有効性と安全性を最大限に高め、適切な量を適切な速度で体内の最も適切な部位に送達する」必要があります。^[13]ハイドロゲルに組み込まれたナノテクノロジーは、理想的な薬物送達システムのすべての要件を満たす可能性があります。ハイドロゲルは、粘土、金、銀、酸化鉄、カーボンナノチューブ、ヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウムなど、さまざまなナノ複合材料を使用して研究されてきました。^[13]

ナノ粒子は、主にそのサイズに関連した物理的特性により、薬物送達剤として非常に有用である。ナノ粒子は生理的障壁を乗り越えて特定の標的に到達することができる。^[14] ナノ粒子のサイズ、表面電荷、特性により、他のほとんどの薬物キャリアが通過できない生物学的障壁を通過できる。^[14]さらに特定化するために、ナノ粒子を標的リガンドでコーティングすることができる。^[14]ナノ粒子が特定の標的に薬物を送達する能力は、全身の副作用と免疫反応を制限する可能性を示唆している。^[15]

ナノ粒子が薬物を運搬し放出する能力は、ナノ粒子の小さなサイズと独特の表面積対体積比から生じる特性にも大きく依存しています。 ナノ粒子は一般に2つの方法で薬物を運搬できます。薬物はナノ粒子の外側に結合するか、ナノ粒子のポリマーマトリックス内に詰め込まれます。^[14]ナノ粒子が小さいほど表面積比が高く、大量の薬物を結合できます。一方、ナノ粒子が大きいほど、その中心に多くの薬物を包み込むことができます。^[15]薬物を充填する最良の方法は、結合する薬物の構造によって異なります。また、薬物の充填はナノ粒子の生成時に行うことも、既存のナノ粒子に薬物を追加することもできます。^[14]薬物の放出は、それを運搬するナノ粒子のサイズに大きく依存します。ナノ粒子は、粒子の体積に比べて大きいナノ粒子の表面に結合できるため、薬物を素早く放出できます。対照的に、ナノ粒子内に充填された薬剤はよりゆっくりと放出される。^[14]

銀ナノ粒子は、抗菌活性と電気伝導性の向上に応用するために、ナノ複合ハイドロゲルの3Dポリマーネットワークに挿入されます。銀イオンの存在は、呼吸中に呼吸酵素が電子を酸素分子に伝達するのを阻止するか、タンパク質が細菌膜上のチオール基（-SH）と反応するのを防ぎ、どちらも哺乳類細胞に損傷を与えることなく細菌や微生物を死滅させます。^[16]これらの銀ナノ粒子のサイズは、細胞膜を通過できるほど小さくする必要があり、適切なサイズに製造するにはさらなる研究が必要です。

ナノ粒子を注入したハイドロゲルに関する懸念としては、破裂したり、薬剤が完全に放出されなかったりする可能性があるという点が挙げられます。^[13]ナノ粒子を注入したハイドロゲルは、薬剤、タンパク質、ペプチド、オリゴ糖、ワクチン、核酸の送達方法として非常に有望であると推測されていますが、臨床応用を進める前に、ナノ毒性学と安全性に関するさらなる研究が必要です。^[14]さらに、蓄積を避けるために、生分解性のゲルとナノ粒子が非常に望ましいです。^[14]

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