تغییر شکل هوشمند پلی یورتان در زیست پزشکی
پلی یورتان یک اصطلاح کلی برای دسته ای از پلیمرهای حاوی گروه کاربامات (-NHCOO-) در ساختار زنجیره اصلی آن من جمله الاستومرهای ترموپلاستیک، فوم های انعطاف پذیر و سفت یا انواع دیگر است. وجود ترکیبات نرم و سخت ترمودینامیکی ناسازگار در ساختار پلی یورتان می تواند باعث جداسازی میکروفاز شود که به پلی یورتان برخی خواص برتر را القاء می کند. عملکرد آن را هم می توان با طراحی مجدد نسبت و ساختار این بخش های نرم و سفت تنظیم کرد. بنابراین از زمان ظهور آن در دهه 1960، پلی یورتان در حوزه پزشکی به دلیل سازگاری خوب با خون و زیست سازگاری، عدم وجود اعوجاج و واکنش های آلرژیک، پردازش آسان، چقرمگی و کشسانی عالی به یکی از با ارزش ترین مواد زیست پزشکی تبدیل شده است. "تغییر شکل هوشمند" به توانایی ایجاد تغییر شکل خاصی براساس محرک های خارجی مانند نور، الکتریسیته و گرما اشاره دارد. پلی یورتان به دلیل دارا بودن ساختار جداسازی میکروفاز منحصر به فرد می تواند تغییر شکل موقتی را با تاثیرپذیری از محرک های خارجی خاص ایجاد کند. در صورت اعمال محرک مشابه، تغییر شکل موقت از بین می رود که نشان دهندۀ تغییر شکل هوشمند معمولی است. از اواخر دهه 1990، تحقیقات دقیقی در مورد تغییر شکل هوشمند پلی یورتان انجام شد و نتایج متعددی همچون کاربرد آن در ترمزها، سنسورها، هوافضا و حتی زیست پزشکی به دست آمد. اثر حافظه - شکل (SME) پدیده ای است که در آن پلیمرها تحت تاثیر محرک های خارجی خاصی تغییر شکل می دهند و پس از تحریک مجدد به شکل اولیه خود باز می گردند. تفسیر اولیه (کلاسیک) این مکانیسم این نظریه ساختاری در فازی است؛ پلی یورتان دارای دو فاز برگشت پذیر و ثابت است که فاز برگشت پذیر می تواند به طور موقت شکل خود را تغییر دهد و فاز ثابت هم می تواند پس از تغییر شکل موقت، بهبود یابد. دمای انتقال شیشه در هر دو فاز متفاوت است. هنگامی که دمای محیط به تدریج از دمای انتقال فاز برگشت پذیر افزایش می یابد، فشار خارجی ممکن است باعث تغییر شکل پلی یورتان به صورت دلخواه شود. همچنین اگر فشار (تنش) بدون تغییر باقی بماند و دمای محیط هم به تدریج به زیر دمای انتقال شیشه برسد، فعالیت زنجیره مولکولی پلی یورتان محدود شده و تغییر شکل موقت ثابت می ماند. علاوه براین، اگر دمای محیط به دمای انتقال شیشه افزایش یابد، انرژی تولید شده توسط تنش قبلی به تدریج آزاد شده و فعالیت زنجیره مولکولی پلی یورتان بازیابی می شود؛ و مورفولوژی آن هم به حالت اولیه باز می گردد. این فرایند در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 1:
هو و همکارانش یک مدل ساختار پلیمری حافظه-شکلی سه بعدی پیشنهاد دادند که برای انواع مختلف پلیمرهای حافظه دار مناسب است. در سطح مولکولی، پلی یورتان حافظه دار به شبکه های پلیمری الاستیک متشکل از فاز سوئیچینگ و نقاط مشبک تقسیم می شود. این نقاط مشبک می توانند حاوی پیوندهای کووالانسی یا غیرکووالانسی باشند که شکل ثابت شبکه پلیمری را تعیین می کند. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، فاز سوئیچینگ به محرک های خارجی پاسخ داده و بازیابی شکل را کنترل می کند.
شکل 2:
پلی یورتان القایی حرارتی یک کلاس از مواد پلی یورتان است که می تواند به محرک های حرارتی پاسخ دهد. بعنوان یک منبع محرک گرما را به راحتی ایجاد، پردازش، دستکاری و دریافت می کند. بنابراین، پلی یورتان حساس به حرارت یکی از موادی است که در حوزه زیست پزشکی به طور گسترده مورد مطالعه و استفاده قرار می گیرد. این پلی یورتان همچنین دارای دو فاز برگشت پذیر و ثابت است که با دما تغییر می کند. فاز ثابت اساسا از ترکیبات ایزوسیانات تشکیل شده است، در حالی که فاز برگشت پذیر حاوی پلی استر و پلی اتر است. با طراحی ساختار مولکولی پلی یورتان، محدوده دمایی برای تغییر شکل هوشمند آن را می توان برای پاسخگویی به کاربردهای مختلف زیست پزشکی تنظیم کرد. برای مثال اگر از پلی یورتان القاء شده حرارتی بعنوان پانسمان زخم استفاده شود، مواد مطابق با شکل زخم طراحی شده و با حرارت دادن نرم می شود؛ بعد از نرم شدن، به شکل دلخواه در می آید و پس از سرد شدن، روی زخم بسته می شود. این مواد با گرم کردن دوباره به شکل اولیه خود باز می گردد. در مقایسه با باند گچ سنتی، این نوع مواد از مزیت هایی همچون جداسازی راحت، راحتی، تهویه و غیره برخوردار است و به تدریج به اقدامات بالینی نیز راه پیدا می کند. محققان آزمایشگاه ملی لیورمور یک دستگاه اکسترکشن ترومبوز با حرارت را با استفاده از پلی یورتان و پلی نوربورن توسعه دادند. این دستگاه ابتدا به شکل اسپیرال در آمده؛ گرم شده؛ صاف شده و پس از سرد شدن، شکل می گیرد. سپس به سیستم درمان وارد می شود. پس از آسیب، سیستم فتوالکتریک می تواند تغییر شکل خود را هدایت کرده و لخته های خون را پیدا کند. ژانگ و همکارانش یک نخ بخیه جراحی ساخته شده از پلی یورتان را مطالعه کردند که می تواند با تحریک حرارتی خود به خود گره بخورد. همچنین، بای و همکارانش یک نخ بخیه جراحی ساختند که می تواند به دمای بدن انسان واکنش نشان دهد. باتوجه به شکل زیر، در مقایسه با نخ بخیه های جراحی سنتی، این نوع نخ بخیه نیاز به تکنولوژی را کاهش داده و زخم را می توان شل بخیه زد.
شکل 3:
با این حال، در تحریک حرارتی این نوع پلی یورتان برای تکمیل تغییر شکل به تماس مستقیم نیاز است. بر همین اساس، کاربرد آن در سیستم های محافظ یا سیستم های غیر تماسی محدود است. علاوه براین، فرایند تغییر شکل هوشمند در پلی یورتان القاء شده با حرارت به تغییر قابل ملاحظه ای در درجه حرارت نیاز دارد تا بتواند به بافت یا سلول های بیولوژیکی آسیب رسانده و برخی عملکردها را مهار کند. باز هم با این وجود، کاربرد محدودی در زمینه زیست پزشکی دارد. باتوجه به این مسائل بیان شده، مواد پلی یورتان القاء شده با حرارت را می توان به صورت فیزیکی یا شیمیایی اصلاح کرد تا به انواع محرک های خارجی پاسخ داده و تغییر شکل هوشمند را ایجاد کند که این نوع تغییر شکل به طور مؤثر دامنه کاربردهای پلی یورتان در زیست پزشکی را گسترش می دهد. در مقایسه با محرک های حرارتی سنتی، نور از خواصی همچون عدم تماس، اثربخشی سریع، تمیزی و دقت برخوردار است. بنابراین پلی یورتان القا شده با نور دارای مزیت های منحصر به فردی مانند عدم تماس، کنترل سریع و ثابت تغییر شکل است. باتوجه به مکانیسم های مختلف تغییر شکل، این نوع پلی یورتان را می توان براساس نوع واکنش فتوشیمیایی و نوع اثر فتوترمال طبقه بندی کرد.
