نانوفیبریل بایو پلیمری

دسته: مقالات منتشر شده در 04 خرداد 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 518

نانوفیبریل های بیو پلیمری: ساختار، مدل سازی، آماده سازی و کاربردها

نانوفیبریل های پلیمری از خواص مکانیکی منحصر به فردی من جمله استحکام و چقرمگی برخوردار هستند، در حالی که عملکردهای بیولوژیکی را از خود نشان می دهند که با محیط اطراف در تعامل هستند. این خواص نانوفیبریل های بیوپلیمری از ساختار سلسله مراتبی آنها سود می برند که انگستروم را تا صدها مقیاس نانومتری چرخانده است. برای حفظ این خواص ساختاری و استفاده مستقیم از این مجموعه های فوق مولکولی طبیعی، بسیاری از روش های جدید با هدف تولید نانوفیبریل های بیو پلیمری توسعه یافته اند. در سال های اخیر نانوفیبریل های سلولز (CNF)، نانوفیبریل های کیتین (ChNF)، نانوفیبریل های ابریشم (SNF) و نانوفیبریل های کلاژن (CoNF) بعنوان چهار نانوفیبریل بیوپلیمری به دلیل خواص تجدید پذیری، دسترسی فراوان، هزینه کم، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از تکنیک های بسیاری برای لایه برداری و بازسازی این نانوفیبریل ها در حوزه های پیشرفته استفاده می شود. در این بررسی، ابتدا ساختارهای نانوفیبریل بیوپلیمری در طبیعت را بیان می کنیم و در ادامه، مدل های محاسباتی مرتبط با آنها را با هدف نشان دادن روابط بنیادی ساختار-خواص در مواد بیولوژیکی ترسیم می کنیم. سپس، روش های مهم بکار رفته در آماده سازی CNF، ChNF، SNF و CoNF را همراه با کاربردهای نوظهور این نانوفیبریل های بیوپلیمری مورد بحث قرار می دهیم.

 

نانوفیبریل های پلیمری بعنوان نانو بلوک های ساختمانی در مواد طبیعی مطرح هستند که شامل نانوفیبریل های سلولز (CNF) در گیاهان و باکتری ها، نانوفیبریل های کیتین (ChNF) در حیوانات، نانوفیبریل های ابریشم (SNF) در ابریشم های پیله عنکبوت و کرم ابریشم، و همچنین نانوفیبریل های کلاژن (CoNF) در رباط و پوست سخت پوستان، تاندون ها و استخوان ها می شوند. ساختار دقیق این نانوفیبریل ها در شکل زیر ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Hierarchical structures of CNFs ChNFs SNFs and CoNFs in wood

 

این نانوفیبریل های بیوپلیمری از مولکول های بیوپلیمری مختلف مانند سلولز، کیتین، فیبروئین ابریشم و کلاژن تشکیل شده و واکنش های شیمیایی متفاوتی دارند. با این حال، آنها در سطوح ساختاری بالا معمولآ خواص مشترکی از خود نشان می دهند. برای مثال CNF، ChNF و SNF بعنوان نانوفیبریل های پلیمر مانندِ نیمه کریستال با نانوکریستال های جهت دارد در ماتریس آمورف در نظر گرفته می شوند. در بسیاری از مواد بیولوژیکی، این نانوفیبریل های منفرد بیشتر به میکروفیبریل ها با جهت گیری بالا یا دسته های فیبریل شناخته می شوند. این ساختارهای سلسله مراتبی خواص بیولوژیکی مواد دارای عملکرد مکانیکی خاص همچون چقرمگی بالای الیاف تار عنکبوت (حتی چندین برابر الیاف فولاد و کولار)، اسکلت بیرونی سخت پوستان و کمانش هوشمند چوب را بهبود می بخشند. برهمین اساس، درک آرایش ساختاری نانوفیبریل ها در طبیعت به ظهور مکانیسم های بهینه سازی عملکرد در مواد بیولوژیکی کمک کرده و الهام بخش طرح های جدیدی در علم مهندسی مواد است. علاوه براین، این نانوفیبریل ها به دلیل خواصی همچون خواص مکانیکی عالی، دسترسی فراوان، مقاومت خوب، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بعنوان چهار مورد از فراوان ترین نانومتریال بیوپلیمری موجود در طبیعت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بسیاری از رویکردهای پایین به بالا و بالا به پایین با هدف تفکیک و آماده سازی نانوفیبریل های بیوپلیمری مانند چوب، پنبه، اسکلت بیرونی سخت پوستان و الیاف ابریشم B.mori توسعه یافته اند. پیشرفت زمانی نانوفیبریل های بیوپلیمری در شکل زیر ارائه شده است.

 

شکل 2:

 Timeline of the structural characterization and preparation of biopolymer nanofibrils

 

در مقایسه با بیوپلیمرهای معمولی تولید شده از محلول های پلیمری که در آنها بیوپلیمرها در مقیاس مولکولی حل شده اند، نانوفیبریل های بیوپلیمری مزوساختارهای ساختار پیچیدۀ مواد طبیعی را حفظ کرده و با این حال، ساختار و خواص جدیدی به مواد بازسازی شده می بخشند که اثرات نانوذرات منشأ می گیرند. در اینجا، ابتدا ساختارها و مدل های محاسباتی همچون نانوفیبریل های بیوپلیمری من جمله CNF، ChNF، SNF و CoNF را معرفی می کنیم. سپس، روش های آزمایشی را برای تولید این نانوفیبریل ها بیان کرده و کاربردهای آنها را تشریح می کنیم. در آخر، به بررسی چالش های پیشرو در توسعۀ نانوفیبریل های بیوپلیمری در حوزه طراحی و مهندسی مواد کاربردی می پردازیم. از طرفی، این موضوعات نوظهور در رابطه با نانوفیبریل های بیوپلیمری بینش جدیدی از درک اصول طراحی مواد در طبیعت ارائه می دهند؛ در حالی که به برخی دستورالعمل ها در تهیه و استفاده از این نانومتریال بیولوژیکی در طیف وسیعی از عملکردها و مکانیسم ها اشاره می کنند.

 

در این مقاله به بررسی کاربردها، ساختار و فرایند CNF و CoNF ها پرداخته شده است اما در مورد ChNF ها و SNF ها کمتر به بحث پرداخته شده است. با این حال، این چهار نانوفیبریل بیوپلیمری از ارزش مطالعات مقایسه ای برخوردار هستند؛ نه تنها به این دلیل که چهار مورد از فراوان ترین بیوپلیمرهای روی کره زمین هستند، بلکه به این دلیل که چهار نمونۀ اولیه هستند که نشان می دهند چگونه طبیعت از عناصر مختلف برای ساخت مواد مختلف با ساختارهای مشابه استفاده کرده است. در این مقاله درمورد روش های جداسازی این نانوفیبریل ها بحث شده است؛ برخی شباهت های شیمیایی و ساختاری بین برخی از این نانوفیبریل ها وجود دارد که برای مثال از روش اکسیداسیون با واسطه TEMPO برای جداسازی CNF ها استفاده می شود و همچنین، روش هیدرولیز اسید برای استخراج ChNF ها از اسکلت بیرونی سخت پوستان کاربرد دارد. اخیرآ، روش های مشابهی نیز برای SNF و CoNF ها به کار رفته اند. نتایج حاصل از این روش ها نشان می دهد که روش های تولید هر نوع نانوفیبریل از پتانسیل تبدیل شدن به یک سیستم نانوفیبریل بیوپلیمری دیگر برخوردار است. با این حال، در صورت استفاده یا ایجاد یک مسیر جدید برای جداسازی نانوفیبریل ها (روش از بالا به پایین) با هدف تولید نانوفیبریل های بیوپلیمری، ارزیابی چرخۀ حیات با بررسی مسائل اقتصادی، علمی، مسائل مربوط به تولید و همچنین اثرات زیست محیطی آنها بسیار ضرورت دارد. به ویژه اینکه، برای اکثر روش های ابداع شده بایستی انرژی زیادی صرف کرد و ازطرفی، به معرف های شیمیایی هم نیاز دارند؛ این گزینه ها می توانند خواص زیست سازگاری این نانوفیبریل ها را تضعیف کنند. برهمین اساس، خودآرایی بیوپلیمرها (روش از پایین به بالا) بعنوان روشی پایدارتر برای تولید این نانوفیبریل ها در نظر گرفته می شود. با این حال، برخلاف پروتئین ها (مانند فیبروئین ابریشم و کلاژن)، پردازش خودآرایی پلی ساکاریدها کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.