پلیمرهای هوشمند و کاربردهای آنها بعنوان بیومتریال
سیستم های زنده به محرک های خارجی پاسخ داده و خود را با تغییر شرایط وفق می دهند. دانشمندان پلیمر در بیست سال گذشته تلاش کرده اند این رفتار را تقلید کرده و به اصطلاح "پلیمرهای هوشمند" تولید کنند. این پلیمرها بعنوان پلیمرهایی تعریف می شوند که در پاسخ به تغییرات جزئی خارجی در شرایط محیطی مانند دما، pH، نور، میدان مغناطیسی یا الکتریکی، عوامل یونی، مولکول های بیولوژیکی و غیره دچار تغییرات فیزیکی یا شیمیایی برگشت پذیری می شوند. کاربردهای امیدوارکننده در زمینه زیست پزشکی مانند سیستم های دارو رسانی، داربست های مهندسی بافت، پشتیبانی از کشی سلول، دستگاه های جداسازی زیستی، سنسورها یا سیستم های محرک را میتوان برای آنها مثال زد. هدف از این مقاله، بررسی پلیمرهای حساس به pH و دما علاوه بر جدیدترین کاربردهای مرتبط با آنها بعنوان بیومتریال در دارورسانی و مهندسی بافت است. به دلیل پتانسیل بالای آنها در حوزه زیست پزشکی از مواد پاسخگو به محرک های دوگانه استفاده می شود.
سیستم های پلیمری حساس به محرک ها یا "پلیمرهای هوشمند" پلیمرهایی هستند که ممکن است در واکنش به تغییرات کوچک در محیط، بر تغییر خواص منحصر به فرد غلبه کنند. از دیدگاه زیست پزشکی، مهم ترین سیستم ها مواردی هستند که به pH یا دما (T) حساس هستند. در بدن انسان تغییراتی در pH دستگاه گوارش، بافت های خاص (و بافت های توموری) یا بخش های زیرسلولی رخ می دهد. همانطور که در ادامه بیان خواهد شد، پلیمرهای حساس به حرارت با T بحرانی نزدیک به ارزش فیزیولوژیکی، یعنی پلی (ایزوپروپیل اکریل آمید-N) (PNIPAm) امکانات زیادی را در زمینه زیست پزشکی ارائه می دهند. برهمکنش های پلیمر- پلیمر و پلیمر- حلال (آب معمولآ تنها حلال در کاربردهای زیست پزشکی است) بازآرایی تصادفی را در محدوده های جزئی pH یا دما نشان می دهند که به یک انتقال زنجیره ای بین حالت های کویل توسعه یافته و فشرده تبدیل می شود. در پلیمرهای حساس به pH، عنصر کلیدی سیستم وجودِ بخش های اسیدی یا بازی ضعیف قابل یونیزاسیون است که به یک پایۀ آبگریز متصل هستند. پس از یونیزاسیون، زنجیره های کویل شده به طور قابل ملاحظه ای گسترش می یابند و به دافعه های الکترواستاتیک بارهای تولید شده (آنیون یا کاتیون) پاسخ می دهند. پلیمرهای واکنش دهنده به دما، از تعادل آبگریز- آبدوستی خوبی در ساختار خود برخوردار هستند و تغییرات دمایی جزئی در دمای بحرانی زنجیره ها را متلاشی می کند، و یا در پاسخ به آرایش جدید، برهمکنش های آبگریز و آبدوست بین زنجیره های پلیمری و آبی ایجاد می کند. باتوجه به جدول زیر، پاسخ ماکروسکوپی پلیمر به وضعیت فیزیکی زنجیره ها بستگی دارد.
جدول 1:
اگر انتقال رخ بدهد و زنجیره های ماکرومولکولی خطی و محلول باشند، محلول به دلیل رسوب پلیمری از حالت تک فاز به دو فاز تغییر می کند. هافمن و همکاران در یک طراحی بسیار زیبا نشان دادند که عملکرد گیرندۀ آنزیمی را می توان زمانی تعدیل کرد که این نوع پلیمر در نزدیکی محل فعال خود کونژوگه شود. همچنین توانستند گیرنده را با استفاده از انتقال بین شکل گسترده و پیچ خوردۀ مولکول روشن و خاموش کنند. pH محلول و پلیمرهای پاسخگو به T که بر انتقال در شرایط فیزیولوژیکی غلبه می کنند، بعنوان سیستم های تزریقی با حداقل تهاجم پیشنهاد شده اند. سیستم های محلول ممکن است به راحتی تزریق شوند؛ با این حال، آنها در محل رسوب یا ژل می شوند و یک ایمپلنت یا داربست مناسب برای سیستم های دارورسانی (DDS) یا کاربردهای مهندسی بافت تشکیل می دهند. هیدروژل های برگشت پذیر سل- ژل معمولآ توسط کوپلیمرهای بلوکی یا پیوندی بعنوان پلورونیک یا پلی استر زیست تخریب پذیر PEO (PLGA، PLLA و PCL) ساخته می شوند. این سیستم ها در حال حاضر بعنوان محلول های تزریقی با حداقل تهاجم در بازار موجود هستند. کوپلیمرهای بلوکی یا پیوندی ممکن است نوع دیگری از انتقال را به جزء پلیمرهای محلول ایجاد کنند که شامل میسلیزاسیون یا تجمع میسل می شود. این رفتار ارتباط نزدیکی با انتقال سل- ژل برگشت پذیر دارد زیرا در برخی موارد میسل ها در ژلاسیون، مادر هستند. اگر پلیمر حساس بخشی از یک ساختار مشبک بی نهایت را تشکیل دهد، بازآرایی زنجیره به معنای انتقال ژل بین حالت فروپاشی و منبسط شده؛ یعنی حالت منقبض و منبسط خواهد بود. تفاوت بین این دو حالت می تواند افزایش یابد. اصلاح سطح با این نوع پلیمرها منجر به آماده سازی رابط های پاسخگو می شود که ممکن است در پاسخ به یکی از این تغییرات جزئی در پارامترهای محیطی رفتار بسیار متفاوتی از خود نشان دهند. سطح نیز ممکن است از حالت آبگریز به حالت آبدوست تغییر کند؛ یا اگر غشاء از لحاظ شیمیایی اصلاح شده باشد، ممکن است اندازه منافذ خود را تغییر دهد.
در ادامه، باید گفت پلیمرهای حساس به pH پلی الکترولیت های حاوی گروه های اسیدی یا بازی در ساختار خود هستند که در پاسخ به تغییرات pH محیط، پروتون ها را می پذیرند یا آزاد می کنند. گروه های اسیدی یا بازی آویز روی پلی الکترولیت ها مانند گروه های اسیدی یا بازی مونواسیدها یا مونوبازها تحت یونیزاسیون قرار می گیرند. با این حال، یونیزاسیون کامل بر روی پلی الکترولیت ها به دلیل اثرات الکترواستاتیکی اعمال شده توسط سایر گروه های یونیزۀ مجاور بسیار دشوار است. این امر باعث اثبات متفاوت تفکیک ظاهری (ka) از مونواسید به مونوباز می شود. با ایجاد بار در امتداد ستون فقرات پلیمر، دافعه الکترواستاتیکی منجر به افزایش حجم هیدرودینامیکی پلیمر می شود. این انتقال بین حالت فشرده و منبسط شده تحت تأثیر شرایطی قرار می گیرد که دافعه الکترواستاتیکی را تغییر می دهد مانند pH، قدرت یونی و کانتریون. انتقال از حالت فروپاشی به حالت منبسط شده با تغییرات در فشار اسمزی اعمال شده توسط یون های متحرک که بارهای شبکه را خنثی می کنند، تفسیر شده است. محدوده pH که در آن انتقال فاز برگشت پذیر رخ می دهد، را می توان به طور کلی با دو استراتژی تعدیل کرد:
1- انتخاب بخش قابل یونیزاسیون با pka مطابق با محدوده pH مورد نظر؛ بنابراین، انتخاب مناسب بین پلی لسید یا پلی باز برای کاربرد مورد نظر بایستی در نظر گرفته شود.
2- ادغام بخش های آبگریز در پایۀ پلیمر و کنترل ماهیت، مقدار و توزیع آنها؛ در صورت خنثی سازی گروه های قابل یونیزاسیون و ناپدید شدن نیروهای دافعه الکترواستاتیکی در شبکه پلیمری، برهمکنش های آبگریز غالب می شوند.
نتیجه گیری
در این مقاله تلاش شده است تا آخرین پیشرفت های انجام شده در زمینه پلیمرهای هوشمند و کاربرد آنها در حوزه بیومتریال بعنوان حامل دارو و همچنین در فرایندهای بازسازی بافت گردآوری شود. خواص و کاربردهای سیستم های پلیمری حساس به pH بعنوان سیستم های دارورسانی، بویژه حامل های ژن، بعنوان یکی از امیدوارکننده ترین کاربردها مورد توجه قرار گرفته اند. پلیمرهای پاسخگو به دما از منبع طبیعی و مصنوعی، همچنین بیوکونژوگه های پلیمر- پروتئین و رفتار دمایی، مکانیسم های LCST و ژلاسیون با توجه به کاربردهای آنها در فرایندهای مهندسی بافت توصیف شده اند. در نهایت، پاسخ دهی به محرک های دوگانۀ پلیمرهای مصنوعی جدید مانند سیستم های شبیه الاستین، هموپلیمرها و کوپلیمرهای اکریلیک از لحاظ ویژگی و کاربردهای احتمالی در حوزی زیست پزشکی مورد بررسی قرار می گیرند.
