خواص و کاربرد پلی وینیل الکل، نانولوله های هالوسیت و نانوکامپوزیت های آنها
هدف از این مقاله تحلیل/ بررسی سنتز، خواص و کاربردهای پلی وینیل الکل- نانولوله های هالوسیتی (PVA-HNT) و نانوکامپوزیت های آنها است. پلیمرهای مختلف با خواص چندگانه به دلیل کاربردهای بالقوه شان در بسیاری از زمینه ها قابل استفاده هستند. پلیمرهای مصنوعی مانند PVA و پلیمرهای طبیعی مانند آلژینات، نشاسته، کیتوزان و مواد اورانیومی دارای جایگاه مهمی بوده و از مواد تجزیه پذیر با زیست سازگاری خوب برخوردار هستند. این مواد در دهه 1980 معرفی شده و به دلیل قابلیت بازیافت و در نظر گرفتن تداوم طبیعی خواص فیزیکی و شیمیایی شان بسیار مورد توجه هستند. ساخت نانوکامپوزیت های PVA-HNT می تواند مسیری بالقوه برای رفع برخی محدودیت های PVA محسوب شود؛ چنین نانوکامپوزیت هایی از خواص مکانیکی عالی و پایداری حرارتی برخوردار هستند. همچنین، خواص این نانوکامپوزیت ها برای مصارف دارویی و زیست پزشکی توانسته است در کاربردهایی همچون پانسمان زخم، دارورسانی، سیستم های انتقال بافت هدفمند و ایمپلنت های بیومتریال نرم بسیار مورد توجه قرار بگیرد. ازطرفی، تقاضا برای دستگاه های پزشکی پلیمری جایگزین نیز در سراسر جهان بطور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. این مقاله به بررسی افزودن HNT اختصاصی همراه با پیوند عرضی PVA در کاربردهای مختلف زیست پزشکی که قبلآ در مقالات هم گزارش شده اند، می پردازد. بنابراین دستیابی، تغییر خواص و اهداف زیربنایی فرایند اختلاط آن با PVA را نشان می دهد.
پلی وینیل الکل (PVA) که اساسآ از پلی وینیل استات ازطریق هیدرولیز ساخته می شود، به راحتی توسط ارگانیسم های بیولوژیکی و پلیمر با ساختار کریستال حل شده در آب قابل تجزیه است. PVA یک پلیمر مصنوعی است که در نیمه اول قرن بیستم در سراسر جهان در بخش های مختلف صنعتی، تجاری، پزشکی و غذایی مورد استفاده قرار گرفته است؛ حتی در تولید بسیاری از محصولات نهایی من جمله لاک ها، رزین ها، نخ های جراحی و مواد بسته بندی مواد غذایی که اغلب با غذا در تماس هستند کاربرد دارد. همچنین PVA یک تقلید زیست تخریب پذیر از پلیمرهای طبیعی است که در پوشش کاغذی و منسوجات استفاده می شود. این پلیمر بطور گسترده در ترکیب با سایر ترکیبات پلیمری مانند پلیمرهای زیستی و سایر پلیمرهای آبدوست استفاده می شود. به دلیل ساختار سازگار و خواص آبدوست، برای کاربردهای مختلف صنعتی به منظور افزایش خواص مکانیکی فیلم ها استفاده می شود. برخی از پلیمرهای ساخت بشر که از منابع تجدیدپذیر و غیرقابل تجزیه زیستی مانند PVA ساخته می شوند نیز در دسترس هستند. پلیمرهایی که از لحاظ بیولوژیکی تجزیه می شوند، از مواد نفتی ساخته شده اند که بطور طبیعی در شرایط هوازی (کمپوست سازی) یا بی هوازی (دفن زباله) تجزیه می شوند. PVA یک پلیمر ترموپلاستیک پرکاربرد است که برای بافت های زنده بی ضرر و غیر سمی است. این پلیمر به دلیل استفاده از آن در محصولات با اتصال عرضی و نانوفیلرها بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، یک پلیمر زیست تخریب پذیر است و تجزیه پذیری آن ازطریق هیدرولیز به دلیل وجود گروه های هیدروکسیل در اتم های کربن افزایش می یابد؛ علاوه براین، محلول در آب بوده و دارای خواص آبدوستی است. شرایط محیطی و نرخ تخریب ممکن است برای بسیاری از پلیمرها مانند PVA متفاوت باشد؛ این شرایط شامل کمپوست سازی در حضور اکسیژن، زیرلایه های خاک، محیط های آبی وحتی در شرایط بی هوازی می شود. در صنعت کاغذسازی از چندین پلیمر مصنوعی، متداول و کوپلیمر مانند پلی یورتان (PU)، پلی استایرن، انیدرید مالئیک (SBR)، SMA، پلی اکریل آمید (PAM) و PVA معمولآ برای افزایش خواص کاغذ با پوشش لایۀ فیلم روی کل ورق به کار می روند. PVA بعنوان یک پلیمر مصنوعی بیش از نه دهه در دسترس بوده است.
این پلیمر ازطریق فرایند صابون سازی پلی وینیل استات سنتز شده و به دلیل خواص تشکیل فیلم، مدت هاست که در ترکیب با سایر پلیمرهای طبیعی استفاده می شود. حل شدن کامل PVA در آب به خواص ذاتی آن همچون دمای آب 100 درجه سلسیوس و مدت زمان 30 دقیقه ای بستگی دارد. تمام گریدهای PVA آبدوست هستند و به عوامل خاصی مانند وزن مولکولی، ابعاد توزیع عنصر و ساختار کریستالی ذرات بستگی دارند. رسوبات طبیعی آلومینوسیلیکات از لحاظ شیمیایی شبیه به کالوئن هستند اما با نانولوله های هالوسیت (HNTs) همچون ساختارهای لوله ای توخالی با نسبت ابعاد بالا محدودی دارند. HNT ها بطور طبیعی از بسیاری از کشورهای جهان مانند ژاپن، چین، امریکا، کره جنوبی، برزیل، فرانسه و ترکیه استخراج می شوند. فیلم های کامپوزیتی با خواص مکانیکی و حرارتی افزایش یافته را میتوان با ریخته گری از محلول PVA-HNT تهیه کرد. افزایش خواص مواد پلیمری به پراکندگی یکنواخت نانولوله ها در ماتریس پلیمری تأیید شده است که منجر به افزایش تعاملات سطحی در سیستم های کامپوزیت می شود. اخیرآ، نقش HNT ها بعنوان یک گزینه زیست سازگار برای کاربردهای بیومتریال تأیید شده است.
بیش از 50 سال است که هیدروژل ها در بسیاری از حوزه های زیست پزشکی مانند لنزهای تماسی و بخیه های قابل جذب، پوکی استخوان، درمان آسم و نئوپلاسم ها اختراع و استفاده شده اند. بنابراین، استفاده یا اصلاح این مواد پلیمری در این حوزه ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است که می تواند پاسخگوی نیازهای روزافزون این حوزه ها باشد. در جدول زیر برخی از کاربردهای رایج PVA و HNT ها ارائه شده است.
جدول 1:
ساختار کریستالی این مواد با اصلاح ترکیب شیمیایی گروه های OH کنترل می شود. مواد با پایۀ PVA در داروسازی و زمینه های مختلف زیست پزشکی بعنوان حامل دارو و همچنین علم مهندسی بافت کاربرد دارند. علاوه براین، PVA ها با ساختار کریستالی خود از اتم های H تشکیل شده اند که بین گروه های هیدروکسیل به هم پیوسته شده اند و این اتم های هیدروژن می توانند به هم مرتبط شوند. خواص آبدوستی و پردازش به این پلیمرها اجازه می دهد تا با سایر پلیمرهای طبیعی و مصنوعی مخلوط شوند. کامپوزیتPVA در هیدروژل به دلیل زیست سازگاری بالا کاربرد گسترده ای در پزشکی داشته ویک ژل پلیمری شناخته شده با کاربردهای متعددی مانند جایگزینی ارگانیسم ها، سیستم های دارورسانی و پانسمان زخم است. از این دیدگاه، کپسوله کردن نانوذرات (MNP) در PVA یک موضوع چالش برانگیز و امیدوار کننده است. ساختار خوب PVA و زیست سازگاری با MNP، علاوه بر هزینه مواد، امکان کاربردهای پزشکی و دارویی آن را فراهم می کند. PVA پلیمری است که بعنوان یک عامل محافظ با خواص محلول در آب و گروه های OH عمل می کند؛ همچنین به جذب یون های فلزی و تشکیل محصولات پیچیده تمایل دارد. چندین گروه تحقیقاتی کاربرد نانوتکنولوژی PVA را بررسی کرده و آماده سازی هیدروژل خود را براساس مونتموریلونیت اصلاح شدۀ آلی گزارش کرده اند.
PVA یک پلیمر مصنوعی است که 30 سال گذشته در پزشکی و سایر زمینه ها استفاده شده است. این پلیمر براساس تحقیقات بالینی و غیر بالینی بطور گسترده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. از آنجا که نانوکامپوزیت های PVA-HNT به راحتی در دسترس هستند، میتوان از آنها در جراحی های عمومی مانند پیوند غضروف استفاده کرد. علاوه براین، از آنها میتوان در ساخت لنزهای تماسی، قطره های چشمی و سیستم های دارورسانی در بافت هایی با رشد غیرعادی استفاده کرد. بطور خلاصه باید گفت که ما در اینجا کاربردهای نانوکامپوزیتPVA-HNT را به دلیل زیست سازگاری، غیرسمی بودن، غیر سرطان زایی و انعطاف پذیری در مهندسی بافت استخوان و سیستم های دارورسانی بررسی کرده ایم.
