پلی کاپرولاکتون PCL چیست؟

پلی کاپرولاکتون یا PCL به چه ماده ای گفته میشود؟

پلی کاپرولاکتون یا  PCL یکی از پلیمرهای ترکیبی اولیه ای است که به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است. تنزل زیستی و خواص مکانیکی از مهم ترین ویژگی های این ماده میباشد که با تنظیم شرایط محیطی مانند میکروارگانیسمها، آنزیم ها و هیدرولیز (آبکافت) میتوان انها را کنترل کرد.

قابلیت انعطاف پذیری این ماده و افت کیفی طولانی مدت این ماده با قرار گیری در معرض آب (تا سه یا چهار سال) باعث شده اند تا PCL به عنوان یک ماده زیستی الهام بخش مورد تحقیقی و بررسی قرار گیرد. PCL در مقایسه با سایر پلی استرهای آلیفاتیک، به دلیل برخورداری از خواص برتر گرانروکشسان و ریولوژیکی به سادگی تولید شده و میتواند در انواعی از محیط های سه بعدی به کار برده شود (مانند داربستهای روزنه دار، ذراتی با سایز میکرو و نانو و دستگاه های قابل ایمپلنت).

1.مقدمه

پلی کاپرولاکتون یا PCL نوعی پلیمر است که از واحدهای تکراری هگزا نوات تشکیل شده است که در گروه پلی استرهای الیفاتیک قرار میگیرند. این ماده به دلیل برخورداری از خواص مکانیکی متمایز،امتزاج پذیری با انواعی از پلیمرها و زیست تخریب پذیری به میزان زیادی مورد بررسی و تحقیق گرفته قرار است.

خواص فیزیکی، مکانیکی و گرمایی این پلیمر ترکیبی به وزن مولکولی آن و مقدار شفافیت ان ( گزینه ای که در تخریب پذیری ماده توسط هیدرولیز پیوندهای استری موثر است) در شرایط فیزیولوژیکی وابسته است. PCL بسیار اب گریز است، حالتی نیمه بلورین دارد و در دمای اتاق به راحتی حل میشود. از انجایی که نقطه ذوب ماده یاد شده پایین میباشد و سازگاری ترکیبی ان بالاست، به راحتی میتوان   PCL را فراوری کرد. خواص یاد شده عاملی برای تحریک بیشتر محققان است تا به مقدار بیشتری در خصوص امکان به کار گیری این ماده در حوزه بیوزیستی تحقیقاتی انجام دهند. این ماده به صورت ذاتی بیوزیست و زیست تخریب پذیر میباشد و به همین دلیل امکان استفاده از ان برای اماده سازی سامانه های دارورسانی  کنترل شده مورد بررسی قرار گرقته است ( در این فرایند از فرمولاسیون پلیمرها یا هم بسپارها استفاده میشود). نفوذ پذیری بالای این ماده در برابر انواعی متفاوت از داروها باعث توزیع یکنواخت دارو در ماتریس شده و این امکان را بوجود می اورد که ازاد سازی تا چندین ماه و به کمک مکانیزمهای تخریبی صورت گیرد. از انجایی که تخریب یا تنزل این ماده با سرعت کمی صورت میگیرد، PCL گزینه ای مطلوب برای ساخت طولانی مدت ایمپلنت و داربست هایی می باشد که میتوانند ماتریس خارج سلولی طبیعی را تولید نمایند. این در حالی است که این مواد از کاشت سه بعدی سلولی پشتیبانی میکنند.

ماده یاد شده دارای استاندارد سازمان غذا و دارو و انجمن اروپا بوده و بنا بر این استاندارد، امکان استفاده از  PCLبه منظور ساخت تجهیزات پزشکی و سیستم های تحویل دارو مورد تایید قرار گرفته است. اگرچه فقط مقدار کمی از این مواد به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته اند و یا در مطالعات پزشکی مورد توجه قرار گرفته اند.

اخیرا مشخص شد که ماده یاد شده قابلیت به کار گیری برای طراحی مواد سازگار با محیط زیست یا مواد زیستی را دارد. خواص مکانیکی این نوع از پلیمر ان را به گزینه ای ایده ال برای مصارف پزشکی مکمل مهندسی بافتی تبدیل میکنند مانند بانداژ زخم، داروهای پیشگیری از بارداری و حوزه دندانپزشکی. حوزه های غیر پزشکی هم در همین لیست قرار میگیرد مانند مصارف محیطی، غذایی و تولید بسته بندی. امروزه توجه بسیاری به این موضوع عطف شده است که از ترکیب این ماده با پلیمرهای زیستی استفاده کنند که ناشی از ویژگی های زیست دوست PCL است مانند خواص مکانیکی، شکل گیری و تولید ساده.

علاوه بر ان، از فرمولاسیون این پلیمر به  منظور تولید ساختارهای هیدروژلی میکرو یا نانو میسلار پس از هم بسپارش استفاده شده است (به کمک خود شبیه سازی). در نتیجه این مواد دو محیط دوست میشوند و این در حالی است که کپسوله سازی مولکولهای بیواکیتو و داروها بهبود می یابد.

2.ترکیب

اولین سنتز این ماده با استفاده از ε‐caprolactone توسط Van Natta و همکاران وی صورت گرفت.از زمانی که اولین قدم ها به منظور درک این این پلی استر تخریب پذیر زیستی برداشته شد، برای ترکیب ان از بسپارش حلقه گشای یونی و اهنی مونومر حلقه ای ε‐caprolactone استفاده شد. اگرچه تلاش های زیادی برای حلقه گشایی رادیکال نیز انجام گرفت. جالب توجه ترین رویکردها بر پایه ی ترکیب انزیمی شکل گرفته اند مانند لیپازی ها.

کاتالیزورهایی که بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از:tin(II) 2‐ethylhexanoate و aluminum(III)isopropoxide.

اخیرا به کارگیری چندین کاتالیزور اهنی انتقالی (بر پایه ی تیتانیوم و زینک) و کاتالیزورهای اهنی نادر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. علاوه برترکیب جوربسپار PCL، محققین بر سنتز چندین نمونه متقاوت از هم بسپارها متمرکز شده اند تا بتوانند از خواص مواد به منظور دست یابی به اهداف خاص استفاده نمایند. تحقیقاتی نیز در خصوص امکان به کار گیری هم بسپارهای این ماده در حوزه بیوزیستی صورت گرفته مانند مهندسی بافتی و تحویل دارو. به طور ویژه، این پلیمرهای زیست تخریب پذیر ترکیبی را میتوان به سه گروه متفاوت تقسیم کرد: پلی استرها، پلیمرهای حاوی استر و سایر ناجوراتمها (که دارای پیوندهایی  در زنجیره اصلی خود میباشند) و پلیمرهایی که دارای ناجوراتمهایی میباشند که در پیوند های زنجیره ای خود موادی به غیر از استرها را دارند. به عنوان مثال، ترکیب پلی استرهای دو و سه بخشی مانند پلی ال الاکتید co‐(ε‐caprolactone)] و پلی گلیکولید کو ال لاکتید co‐(ε‐caprolactone)] میتواند موادی را تولید نماید که ترکیبی از خواص ارتجاعی PCL و زمان تخریب مناسب را دارند. مطالعات متفاوتی نیز در خصوص امکان استفاده از این ماده به  منظور تولید موادی با معماری مولکولی پیشرفته صورت گرفته است.

3.زیست تخریب پذیری

یکی از فاکتورهای اصلی که باعث شده تا ماده یاد شده به مقدار فراوانی مورد استفاده قرار گیرد، خاصیت زیست تخریب پذیری ان است. ارگانیسم های زنده  مانند چند نوع از باکتری ها و قارچ ها میتوانند باعث تخریب این پلیمر در محیط زیست شوند. امکان تخریب انزیمی این ماده نیز وجود دارد زیرا گزارشاتی مبنی بر تخریب پذیری PCL توسط استراز و سایر لیپازها عنوان شده است.

زمان تخریب پذیری PCL وابسته بر وزن مولکولی آن، درجه شفافیت و شکل ظاهری ان است. معمولا در فازهای بی شکل این تخریب پذیری با سرعت بیشتری صورت میگیرد. درواقع این مرحله با انتشار آب در نواحی بی شکل اغاز میگردد و پس از ان نیز قطع هیدرولیتیک پیوندهای استری قرار دارد که ابتدا در فازهای بی شکل و پس از ان نیز در نواحی بلورین  صورت می گیرد. این تخریب با استفاده از کاتالیزور کربوکسیلیک اسید انجام میشود که خود با هیدرولیز یا ابکافت شکل گرفته است. اما همانطور که پیش از این نیز یاد شده، امکان کاتالیز این مواد به وسیله ی  انزیمها نیز وجود دارد. تخریب زیستی این پلیمر بروی سطح یا به صورت توده ای صورت میگیرد. اگرچه باید به این نکته توجه داشت که در اغلب موارد هر دو مکانیزم یاد شده به صورت همزمان رخ میدهند و میزان تخریب پذیری کلی انها بر اندازه نسبی وابسته است. فرسایش سطحی زمانی رخ میدهد که میزان فرسایش بیش از مقدار اب نفوذ کرده در توده ی پلیمری باشد. از این مکانیزم برای سیستم های تحویل دارو استفاده میشود. فرسایش توده ای سطحی نیز زمانی رخ میدهد که مولکولهای آب قادرند تا با سرعتی بیش از فرسایش، به ماتریس پلیمری نفوذ پیدا کنند. در این حالت ماکرومولکولها ی توده ای قابلیت ابکافت را خواهند داشت.

علاوه بر ان، انتشار اب در توده ی پلیمر از تخریب دارویی جلوگیری نخواهد کرد. تخریب پذیری توده ای به همراه قطع هیدرولیتیک تصادفی زنجیره ی پلیمر، یک مکانیزم تخریب پذیر اصلی است که در ان چندین پلی استر از جمله  PCL شرکت دارند. به احتمال کمی در طی این فرایند نیروی جنبشی ازاد میشود و علاوه بر ان مولکولهای دارویی به خوبی حفاظت نمیشود . موارد یاد شده از معایب این مکانیزم هستند.

اگرچه تغییر الگوی تخریب پذیری PCL برای سالها به عنوان یک زمنیه تحقیقاتی مهم  در نظر گرفته شده است که با هدف تعدیل جنبش زیست تخریبی این پلیمرهمراه است. بنابراین تغییر پیکره اصلی این پلیمر به وسیله هم بسپارشی با سایر مونومرها میتواند بر مکانیزم تخریب پذیری اثر گذارد. با افزودن مونومرهای اب دوست میتوان میزان تخریب پذیری را افزایش داد که خود تاثیری منفی بر حالت بلورین بلوکهای این ماده خواهد داشت ولی انتشار اب را بهبود می بخشد. هم بسپارهای بلوکی این ماده و پلی اتیلن اکسید در همین گروه قرار میگیرند و در انها میزان تخریب پذیری بر طول بلوکهای جوربسپار و محتویات انها وابسته است. با افزایش مقدار PCL موجود در طولی دلخواه از بلوک های پلی اتیلن اکسید، میزان تخریب پذیری این ماده کاهش خواهد یافت. با افزایش طول بخش های پلی اتیلن اکسید، میزان تخریب پذیری این هم بسپار بیشتر خواهد شد. پلی لاکتیک اسید در برابر پلی اتیلن اکسید خاصیت اب گریز کمتری دارد. بلوکهای سه تایی پلی لاکتیک اسید، پلی کاپرولاکتون و پلی لاکتیک اسید دارای سرعت تخریب پذیری بیشتری در مقایسه با پلی لاکتیک اسید و پلی کاپرولاکتون خالص میباشند.

مصرف موفق پلی لاکتیک اسید و هم بسپارهای ان در زمنیه های متفاوت (از حوزه زیست پزشکی تا محصولات سازگار با محیط زیست) به خوبی نشان میدهد که ماده یاد شده را میتوان برای تولید محصولات مطلوب با تخریب پذیری دیرهنگام استفاده نمود.