بسپار های فرا مولکولی

پلیمر یا بسپار های فرامولکولی به چه موادی گفته می‌شود و چه خواصی دارند؟

پلیمرهای فرامولکولی نوعی از بسپارها هستند که واحدهای مونومری آنها از طریق بر هم کنش های غیر کوالانسی برگشت پذیر و جهت دار به یکدیگر متصل شده است. این نوع از پلیمرها برخلاف پلیمرهای معمولی دارای انواعی از برهم کنش های غیر کوالانسی می باشند که خود خواص مواد را تشکیل می‌دهند. برهمکنش های موجود بین مونومرهای بسپارهای فرامولکولی عبارتند از پیوندهای هیدروژنی، برهمکنشهای π-π ،هم ارایی فلزی و برهم کنش های میزبان و مهمان. از آنجایی که پلیمرهای یاد شده دارای برهمکنشهای غیر کوالانسی برگشت پذیر می باشند از خواص پویایی همانند خود ترمیم شوندگی نیز برخوردارند.

بسپار های فرامولکولی از چه خواصی برخوردارند؟

• خاصیت خود ترمیمی: همانطور که پیش از این نیزیاد شد، طبیعت بسپارهای فرامولکولی به گونه‌ای است که بر هم کنش های غیر کوالانسی موجود در آن باعث شده‌اند تا خواصی پویا و برگشت پذیر داشته باشد. در واقع چنین خواصی منجر به این موضوع می‌شوند تا بسپارهای یاد شده بتوانند شبکه برگشت پذیر و پویایی را به وجود بیاورند که توانایی توسعه مواد خود ترمیمی بر اساس پیوندهای غیر کوالانسی را دارد. اگر بخواهیم این مواد را با انواعی از مواد خود ترمیمی دارای پیوندهای کوالانسی مقایسه کنیم متوجه می‌شویم که آنها می‌توانند ساختار اولیه و عملکرد پلیمری خود را قبل از آنکه دچار آسیبی ‌شوند، بازیابی نمایند. علاوه بر آن بسپارهای فرامولکولی حاوی روندهای بهبودی نیز می باشند تا بتوانند به هدف یادشده دست یابند.
• خواص نوری -الکترونیکی: با قرار گیری اهدا کننده های الکترونیکی و پذیرنده های الکترونیکی در هم ارا های فرامولکولی تعدادی از سیستم های مصنوعی به وجود خواهد آمد مانند سیستم های سنتز نوری. از آنجایی که در این پلیمرها انواع متفاوتی از برهمکنش ها وجود دارد اهدا کننده و پذیرنده های الکترونی می توانند در مجاورت یکدیگر قرار بگیرند تا باری ممتد و طولانی را در بین بخش های متفاوت ایجاد کنند. پس از آن نیز این امکان وجود دارد تا یک سیستم تبدیل نور به بار با اثربخشی بالاتر، انتقال الکترونیکی نوری وانتقال الکترونیکی را در پلیمرهای مصنوعی ایجاد کرد.
• خواص زیست سازگاری: بسیار معمول است که مولکولهای زیستی همانند DNA، پروتئین و موارد مشابه از طریق بر هم کنش های غیر کوالانسی در سیستم‌های زیستی بوجود ایند. به طور مشابه بسپار های فرامولکولی نیز از طریق ترکییی از بر هم کنش های غیر کووالانسی ایجاد می شوند. نوع شکل گیری یاد شده به این پلیمرها خواصی را می بخشد تا به کمک آنها در مقابل تحریکات خارجی حساسیت بیشتری داشته باشند و همچنین بتوانند تغییرات پیش آمده در ساختار و عملکرد ها را به صورت پویا تجدید نمایند. با ایجاد تغییراتی در واحدهای مونومری پلیمرهای فرامولکولی به کمک عامل های محلول در آب، بخشهای زیست فعال و زیست نشانگرها، پلیمرهای یاد شده می‌توانند انواعی از عملکرد ها را در حوزه زیست پزشکی داشته باشند. علاوه بر آن از آنجا که پلیمرهای یاد شده قابلیت برگشت پذیر و پویا دارند می توانند زیست تخریب پذیر نیز باشند و به همین دلیل در مقایسه با انواعی از پلیمرهای دارای پیوندهای کووالانسی که به سختی در محیط زیست تجزیه می‌شوند، برتری بسیار بیشتری خواهند داشت و گزینه ای بسیار مناسب برای تولید محصولات حوزه زیست پزشکی خواهند بود. در واقع توانایی این مواد در تجزیه در محیط های زیستی باعث می‌شود تا سمیت این پلیمرها به مقدار بسیار بالایی کاهش یابد و بنابراین زیست سازگاری پلیمرهای فرامولکولی نیز افزایش خواهد یافت.

مثال هایی از پلیمر های فرامولکولی

سه نوع از مواد خود ترمیم شونده در این قسمت نشان داده می‌شوند که دارای برهمکنشهای هیدروژنی فلزی و همچنین π-π می باشند:

• پلیمرهای فرامولکولی خودترمیمی که دارای پیوندهای هیدروژنی میباشند: یک پلیمر پلی ایزوبوتیلن که دارای عامل های باربیتوریک اسید در بخش ابتدایی و انتهایی زنجیره ای خود می باشد. انواع پیوندهای هیدروژنی موجود بین گروه های کربنی و گروههای آمیدی در باربیتوریک اسید باعث می شود تا شبکه فرامولکولی ایجاد شود. دیسک های کوچک پلی ایزوبوتیلنی پس از قرارگیری چند ساعته در معرض دمای اتاق میتوانند آسیب های مکانیکی ایجاد شده را جبران نماید.
• پلیمر های حاوی ترکیبات هم ارا: محققان موفق شده اند تا با استفاده از برهمکنشهای هم آرای بین کاتکول و یون های آهنی انواعی از پلیمرهای فرامولکولی خودترمیمی را ایجاد نمایند که قابلیت کنترل به کمک pH را دارند. ایجاد ترکیبات آهنی با یک، دو و یا سه عدد از کاتکول ها باعث می شود تا حالت ارتجاعی و به همراه آن ظرفیت خود ترمیمی ایجاد شود. به عنوان مثال ترکیب آهن و سه کاتکول می‌توانند پس از خم شدگی و تغییر شکل کامل، خاصیت مسنجم و در واقع شکل اولیه خود را به دست بیاورد.
• پلیمرهای فرامولکولی خود ترکیبی که دارای برهمکنشهای π-π می باشند: پلی ایمید ها با قابلیت خمیدگی زنجیره‌ای و سایر مواد باعث بهبود شبکه‌های فرامولکولی می شوند.

پلیمرهای فرامولکولی چه کاربرد هایی در حوزه زیست پزشکی دارند؟

پلیمرهای فرامولکولی می‌توانند از خواصی مشابه با پلیمرهای معمول برخوردار باشند که در واقع دارای پیوندهای کووالانسی هستند. اگرچه این پلیمرها قابلیت فراوری بالایی داشته و این موضوع نیز ناشی از طبیعت پویای آنهاست. رفتار دینامیکی و قابلیت پیمانه ای این سیستم ها امکان ایجاد سنتز های غیر کوالانسی و آسان را فراهم می سازد. در حوزه تولید محصولات زیست پزشکی به این خواص از پلیمرهای فرامولکولی به مقدار بسیاری توجه می‌شود: زیست سازگاری مطلوب و زیست واکنش گری، سمیت پایین یاخته ها، هدف گیری ویژه، سازگاری با محلول ها و پاسخگویی مناسب به محرک ها. پلیمرهای فرامولکولی یادشده دارای وظایف و عملکر های ویژه بوده و همچنین می‌توانند به صورت دینامیک با شرایط محیطی و با توجه به محرک های خارجی سازگار شوند. چنین خواصی باعث می‌شوند تا بسیاری از مواد پلیمری فرامولکولی به صورت هوشمند ساخته شوند. این پلیمرها دارای ترکیبی از نظم و خواص دینامیک می باشند تا بتوانند به وظایف مورد نظر دست پیدا کنند. در این قسمت به کاربردهای متفاوتی از پلیمرهای فرامولکولی در حوزه‌های تحویل دارو (رویکردها، فناوری ها و سیستم هایی که به منظور انتقال یک ماده در درون بدن انسان به کار برده می شوند) مهندسی بافت و تولید مواد خود ترمیمی میپردازیم.

• سیستم های انتقال دارو به بدن انسان: در این قسمت به benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA), ureido-pyrimidone (UPy) و بر هم کنش های مهمان میزبان و کاربردهای آن ها در سیستم های انتقال دارو به بدن انسان پرداخته می شود. مونومرهای BTA می توانند به صورت پویا و در آب به شکل فیبرهای فرامولکولی یک بعدی درایند. فیبرهای یاد شده با شکل‌گیری ۳ پیوند هیدروژنی بین گروه‌های آمیدی حالت پایدار پیدا می‌کنند و در نهایت مونومر ها با نوعی نظم مارپیچی و جانبی مرتب می شوند. علاوه بر آن ساختار ماده توسط برهمکنشهای π-π پایدار میشود. بخش های BTA را می توان با زنجیره های دو محیط دوست عاملدار کرد تا بتوانند به عملکرد بسیار بالاتری دست پیدا کنند. تعادل ظریفی بین اندازه فضاگیرهای آب ترس و واحدهای آب ترس در مشتقات BTA وجود دارد که بر فرایند شبیه ‌سازی موثر خواهد بود. واحدهای آب ترس دارای ۱۱ تا ۱۲ اتم باعث شکل‌گیری فیبر های پایداری می‌شوند و در نهایت طول فضاگیر ها را تغییر داده و اثری مضاعف بر اندازه رسوبات و پایداری گرمایی این ترکیبات خواهند داشت. Albertazzi و سایرین گزارشی در خصوص سیستم های فرامولکولی بر پایه BTA ارائه کردند که در آن این مواد به فیبر تبدیل می شوند. انها به تحقیقاتی در خصوص اثرات اتصال گر های چندظرفیتی مونومری در پلیمرهای فرامولکولی پرداختند. نتایج به دست آمده نشان می‌دهند که توزیع مونومری می‌تواند توسط اتصال گر های چند ظرفیتی کنترل شود. این انعطاف پذیری می‌تواند برای سیستمهای انتقال دارویی که به انتقال مواد دارویی چند ظرفیتی مانند DNA یا RNA نیاز دارند، بسیار کاربردی باشد. به کارگیری فیبرهای فرامولکولی خود چینشی BTA به عنوان مکانیزمی برای سیستم های انتقال دارو توسط Bakker نیز گزارش شده است. مولکولهای UPy هم دارای پیوندهای هیدروژنی چهارتایی بوده و برای به کارگیری در پلیمر های فرامولکولی گزینه مناسبی می باشند زیرا پیوند های هیدروژنی، پایداری خوبی را برای آنها فراهم کرده است. دو مونومر UPy با شکل‌گیری پیوندهای هیدروژنی چهارتایی می‌شوند و پس از آن این دوپارها ازطریق برهمکنشهای واندروالس و π-π روی هم قرار می‌گیرند و فیبرهای بسپارهای فرامولکولی را تولید می‌کنند. چنین مولکولهایی گزینه بسیار مناسبی برای استفاده در مواد زیست پزشکی را دارند زیرا دمای فراوری آنها پایین است و قابلیت خود چینشی در آب دارند، زیست تخریب پذیر هستند و به طور کلی از خاصیت زیست سازگاری برخوردارند.

• انتقال ژنی: حامل های کاتیونی غیر ویروسی با میزان سمیت کم که اثر بخش نیز می باشند گزینه بسیار خوبی در حوزه ژن‌درمانی هستند. اگر بخواهیم به خواص پاسخگویی پویا در برابر عوامل خارجی و محرک توجه کنیم پلیمرهای فرامولکولی شرایط مناسبی را برای حاملهای ساختاری در انتقال ژنی فراهم می کنند.
• سایر موارد: انواعی از پلیمرهای فرامولکولی که به صورت منطقی و صحیحی طراحی شده‌اند می‌توانند نیازمندی‌های متفاوتی مانند سازگاری آبی، زیست تخریب پذیری، سازگاری زیستی، پاسخگویی در برابر محرک ها و سایر معیارهای ویژه را پاسخگو باشند. علاوه بر آن دسته های یاد شده را می توان در حوزه زیست پزشکی مانند سیستم های استوار به کاربرد. علاوه بر مصارف یاد شده می توان به این گزینه ها نیز اشاره کرد انتقال پروتئینی، تصویر برداری زیستی و تشخیص و مهندسی بافتی.