پلیمرهای حاوی نوکلئوباز زیستی

دسته: مقالات منتشر شده در 21 اسفند 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 366

طراحی منطقی پلیمرهای حاوی نوکلئوباز زیستی به عنوان پلاستیک های زیستی سخت و چسب های فوق العاده قوی

توسعه مواد پلیمری از مواد اولیه زیستی به دلیل نگرانی های روزافزون از مسائل زیست محیطی و مصرف منابع فسیلی محدود کاملا ضروری است. با این حال، مواد پلیمری زیستی معمولا عملکرد متوسطی دارند که کاربرد بالقوه آنها را به شدت تضعیف می کند. در اینجا، توسعه پلیمرهای حاوی نوکلئوباز زیستی با چقرمگی و چسبندگی بالا با مهار کردن برهمکنش های پیوند هیدروژنی مکمل (پیوند H) انجام می شود. پلیمریزاسیون تیول-ان بهینه به منظور تولید هموپلیمرهای هسته ای عاملدار و کوپلیمرهای آماری انجام می شود. در مقایسه با هموپلیمرهای منفرد، مخلوط های فوق مولکولی هموپلیمرها اتلاف انرژی و ظرفیت میرایی بسیار بهتری از برهمکنش های پیوند مکمل H بین مولکولی را نشان می دهند. جالب این که کوپلیمرهای حاوی نوکلئوباز دارای برهمکنش های بین مولکولی و درون مولکولی پیوند مکمل H چقرمگی فوق العاده ای تا حداکثر 73.8 مگا ژول را نشان می دهند. علاوه بر خواص مکانیکی مهم، چسبندگی سطحی منحصر به فرد هسته‌ ها به مواد پلیمری استحکام چسبندگی را تا 16.2 مگاپاسکال افزایش می‌ دهد. این کار بیانگر یک استراتژی مهم و جامع زیست محور برای ساخت مواد پلیمری قوی با طراحی منطقی شبکه های پیوند درون و بین مولکولی H است.

 

تولید پلاستیک در مقیاس صنعتی که از اواسط قرن گذشته آغاز شد به طرز چشمگیری نحوه فعالیت انسان را دگرگون کرد. اگرچه خواص منحصر به فرد پلاستیک همراه با قیمت پایین، وزن سبک و پردازش پذیری به زندگی ما کمک کرده است، اما افزایش تولید و استفاده از پلاستیک به نگرانی های زیست محیطی و کمبود مواد اولیه نفتی دامن زده است. مواد اولیه به عنوان جایگزین منابع تجدید پذیر برای منابع فسیلی محدود در نظر گرفته می شوند. از منابع زیستی متنوعی مانند روغن های گیاهی، ترپن ها، اسیدهای رزین، اسیدهای نوکلئیک، سلولز، همی سلولز و لیگنین با موفقیت برای تهیه پلاستیک ها، الاستومرها، عایق ها و چسب ها استفاده شد. با این حال، خواص مواد پلیمری ماکروسکوپی ساخته شده از این مواد اولیه زیستی در مقایسه با نمونه های ساخته شده از منابع نفتی که عملکرد بهتری دارند، رقابت پذیری آنها را محدود کرده است. مواد پلیمری دارای چقرمگی و سفتی بالا مطلوب تر هستند و ساخت آنها نیز دشوار است. افزایش چگالی اتصال عرضی کووالانسی مواد پلیمری قادر به افزایش سفتی است اما همزمان چقرمگی را کاهش می دهد. شبکه های همگن و اتلاف انرژی کارآمد از عوامل حیاتی و ضروری برای ساخت مواد پلیمر با سفتی و چقرمگی هستند که به طور همزمان افزایش یافته اند. شبکه های اتلاف انرژی با پیوندهای پلیمری گنجانده شده مانند پیوند فلز- لیگاند، برهمکنش های الکترواستاتیک و پیوند H در واقع چقرمگی بالایی از خود نشان می دهند، اما اغلب به دلیل ماهیت ضعیف ذاتی این برهمکنش ها سفتی کمتری دارند. در مقابل، چندین خوشه پیوند H در مواد پلیمری به منظور رفع کاستی ها گنجانده شده‌ اند که زمینه را برای برهمکنش بین زنجیره ای و درون زنجیره ای قوی تر و همچنین افزایش ظرفیت اتلاف انرژی فراهم می کنند. برهمکنش های چندگانه پیوند هیدروژنی (پیوند H) در سیستم های طبیعی مانند پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک ها رایج هستند و نقش مهمی در خواص و عملکرد مواد دارند. برای مثال، پیوند چندگانه در ابریشم دراگلاین عنکبوت طبیعی حاوی پروتئین آنها را قادر می سازد تا به سخت ترین فیبر طبیعی تبدیل شوند. برخلاف پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک برهمکنش‌ های انتخابی پیوند مکمل H بین نوکلئوبازها تکرارپذیری و رونویسی اطلاعات ژنتیکی را نشان می‌ دهند.

 

مطالعه پلیمرهای حاوی نوکلئوباز دو دهه گذشته به دلیل توسعه فوق‌ العاده تکنیک‌ های پلیمریزاسیون جدید و فناوری نانو شاهد رنسانس بوده است. در اینجا، یک خانواده پلیمری حاوی نوکلئوباز با چقرمگی بالا و چسبندگی بسیار قوی را از طریق پلیمریزاسیون افزودن تیول-ان 1،3 دی اوندک 10 انامیدو پروپان 2 آدنین (UDA-A) و 1،3 دی اوندک 10 انامیدو پروپان 2 تیمین (UDA-T) با 1،6-هگزان دیتیول را مورد بحث قرار دادیم. هر دو پلیمر حاوی آدنین یا تیمین (PA و PT) و کوپلیمرهای حاوی نوکلئوباز با متوسط وزن مولکولی (24.8-38.5 کیلو دالتون) و توزیع وزن مولکولی نسبتاً وسیع (2.40-1.9) به دست آمده اند. کوپلیمرهای آماری دارای برهمکنش های پیوند مکمل درون و بین مولکولی H، مدول یانگ و چقرمگی بهتری را در مقایسه با پلیمر PT حاوی تیمین و مخلوط سوپرمولکولی PA و PT نشان می دهد. تحلیل رئولوژیکی نشان می دهد که شبکه همگن تشکیل شده توسط کوپلیمر حاوی نوکلئوبازهای مکمل پایدارتر بوده و انرژی فعال بالاتری نسبت به پلیمرهای حاوی تیمین دارد. این خواص منحصر به فرد باعث افزایش اتلاف انرژی و ظرفیت میرایی به پلیمرها می شود که فرصت استفاده از آنها به عنوان چسب با قدرت چسبندگی 16.2 مگاپاسکال را فراهم می کند. با این حال، در اینجا ما یک مسیر الهام‌ گرفته از محیط زیست کارآمد را با هدف ساختن بیومتریال قوی با طراحی منطقی شبکه های پیوند بین و درون مولکولی H را معرفی می کنیم.

 

سنتز پلیمرهای زنجیره بلند انعطاف پذیر با عملکرد نوکلئوباز

اخیراً، پلیمرهای عاملدار شده با نوکلئوباز به عنوان خانواده ای از مواد پلیمری جدید معرفی شده اند که می تواند از طریق رویکردهای متمایز توسعه یابند. بیشتر استراتژی های گزارش شده بر پلیمریزاسیون رادیکال مونومرهای وینیل یا پلیمریزاسیون متاتز حلقه باز مونومرهای نوربورن متکی هستند و انعطاف‌ پذیری زنجیره برای برهمکنش های پیوند H را محدود می‌ کنند. در اینجا، از پلیمریزاسیون افزودنی تیول-ان برای تهیه پلیمرهای حاوی نوکلئوباز استفاده شد. با توجه به ادبیات قبلی، ان-ان (2 هیدروکسی پروپان 3،1 دیول) بیس (اند-10-انامید) برای اولین بار سنتز شد. مونومرهای دی ان حاوی آدنین و تیمین از طریق آمیداسیون متوالی، استریفیکاسیون و واکنش‌ های مایکل با نسبت کل به سه مرحله به ترتیب 35 و 44 درصد تهیه شدند. از پلیمریزاسیون افزودن تیول-ان هر دو مونومر دی ان UDA-A و UDA-T و مخلوط آنها با 1، 6-هگزان دیتیول برای تولید پلیمرهای حاوی نوکلئوباز استفاده شد. برهمکنش های پیوند H فوق مولکولی بین نوکلئوبازها مکمل مواد پلیمری را با تفکیک و اصلاح شبکه پیوند H در ازدیاد طول را نشان می دهد.

 

به طور خلاصه، ما با موفقیت یک خانواده از پلیمرهای حاوی نوکلئوباز و واحدهای تکراری متشکل از زنجیره بلند آلکیل انعطاف پذیر را از طریق پلیمریزاسیون تیول-ان کارآمد مورد بررسی و توسعه قرار دادیم. مخلوط فوق مولکولی PT و PA حاوی نوکلئوبازهای مکمل نسبت به بازه‌ های هسته ‌ای حاوی PT، اتلاف انرژی و ظرفیت میرایی بسیار بهتری دارند که به برهمکنش های پیوند مکمل بین مولکولی H نسبت داده می‌ شود. کوپلیمرهای آماری دارای برهمکنش های پیوند مکمل بین و درون مولکولی H یک شبکه قوی و همگن با چقرمگی بالا تا 73.8 مگاژول را ایجاد می کند که در مقایسه با PT، تقریبا دو برابر شده است. علاوه بر عملکرد مکانیکی بالا، خواص چسبندگی رابط نوکلئوبازها کوپلیمر را قادر می سازد تا به عنوان چسب بسیار قوی با قدرت چسبندگی 16.2 مگاپاسکال استفاده شود. ما پیش بینی می کنیم که طراحی مناسب شبکه های پیوند درون و بین مولکولی H که در اینجا ارائه شده است، سرنخی برای ساخت مواد پلیمری قوی از منابع تجدیدپذیر باشد.