0
ویژه نامه ها

پلیمرهای هوشمند و کاربردهای آن در بیومواد (2)

پلیمرهای حساس به pH در چندین کاربرد بیومدیکال، مورد استفاده قرار می گیرند. مهم ترین این کاربردها، استفاده از آنها در سیستم های دارو رسانی و ژن رسانی و همچنین سنسورهای گلوکزی می باشد. بین تمام سیستم
پلیمرهای هوشمند و کاربردهای آن در بیومواد (2)
پلیمرهای هوشمند و کاربردهای آن در بیومواد (2)

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 

کاربردها

پلیمرهای حساس به pH در چندین کاربرد بیومدیکال، مورد استفاده قرار می گیرند. مهم ترین این کاربردها، استفاده از آنها در سیستم های دارو رسانی و ژن رسانی و همچنین سنسورهای گلوکزی می باشد. بین تمام سیستم های توصیف شده در این مقاله، ما در این بخش مثال های جذابی را ارائه کردیم که در طی سال های اخیر، از این پلیمرها، استفاده کرده اند.

سیستم های دارو رسانی

pH در طول فاصله ی معده (GIT) تا روده، از 2 تا 10 تغییر می کند. این شرایط موجب می شود تا پلیمرهای حساس به pH، برای دارو رسانی به روده ی بزرگ، مناسب باشند. متداول ترین این روش ها استفاده از پلیمرهای روده ای است که در برابر تخریب در محیط های اسیدی، مقاوم می باشند و می توانند داروها را در محیط های قلیایی (به دلیل تشکیل نمک) رها سازی کنند. چندین مثال از این نوع از پلیمرها هم اکنون تجاری سازی شده اند. این پلیمرها، عبارتند از: Eudragit L، Eudragit S از شرکت Röhm Pharma GmBH (که بر پایه ی متا اکریلیک اسید و متیل متا اکریلات تولید شده اند)، یا CMEC از شرکت Freund Sangyo ، CAP از شرکت Wako Pure Chemicals، HP-50 و ASM از شرکت Shin-Etsu Chemical (مشتق شده از سلولز). یک تعداد زیاد از پلی ساکاریدها مانند آمیلوز، آدامس گار (guar gum)، پکتین (pectin)، کیتوسان، اینولین (inulin)، سیکلودکسترین (cyclodextrin)، کندرویتین سولفات (chondroitin sulphate)، دکستران (dextran) و آدامس نخود فرنگی (locust beam gum)، نیز برای رهایش دارو در روده ی بزرگ، استفاده شده اند.
چندین گروه نیز توسعه یافته اند که به آنها پرودراگ های (prodrugs) پلیمری گفته می شود (پلیمرهایی که در آنها دارو به صورت کوالانسی به زنجیره ی ماکرومولکولی متصل شده است). این مواد با تغییر در pH، مستعد کلیواژ هیدرولیتیکی هستند و از این رو، برای تحویل دارو در روده ی بزرگ، مناسبند. از جمله این پلیمرها، می توان به پلی (N- متا اکریلویل آمینو اتیل 5- آمینو سالیسیل آمید) یا پلی (متااکریلویل اتوکسی اتیلن 5- آمینوسالیسیلیک اسید) یا سیستم های کوپلیمری بر پایه ی 2- اگریلوآمیدو- 2- متیل پروپان سولفونیک اسید (AMPS) و مشتقات متا اکریلیک از یک داروی antiaggregant که Triflusal نامیده می شود (شکل 1).
پلیمرهای هوشمند و کاربردهای آن در بیومواد (2)
به هر حال، pH در GIT یا معده، بسته به وعده ی غذایی، شرایط پاتولوژیکی و حتی مسائل داخلی متغیر است و از این رو، میزان رهایش دارو در طول سیستم گوارش، قابل پیش بینی، نمی باشد. بنابراین، استراتژی که بر اساس میکرو فلورس روده ی بزرگ (colonic microflora) برای رهایش داروهای به دام افتاده می باشد، متداول تر به نظر می رسد یعنی فعالیت گلایکوزیداز (glycosidase activity) میکرو فلورس روده ی بزرگ مسئول رهایش داروها از پروداروهای گلایکوزیدازی و وجود یک آزورداکتاز (azoreductase) از باکتری بی هوازی کلن، نقش اساسی در رهایش دارو از پروداروهای با اتصال azo، ایفا می کند.
محققین پلیمرهای حساس به pH پیچیده تری توسعه داده اند که بوسیله ی آنها، تغییرات pH به گونه ای است که در طبیعت رخ می دهد. این مسئله یک مزیت برای این دسته از پلیمرهای حساس به pH محسوب می شود. این مواد با تقلید از ارگانیزم های زنده تولید شده اند و تلاش شده است تا مکانیزم پاسخ آنها، تقلید شود. Sauer و همکارانش سنتز محفظه های نانویی کوچکی را گزارش داده اند که نسبت به pH حساس می باشند. این ماده با الهام از ذرات ویروس، تولید شده اند. وسایل پلی (اکریلیک اسیدی) بوسیله ی پلیمریزاسیون حفره ای و پلیمریزاسیون امولسیونی تولید شده اند (با استفاده از ذرات لاتکس با ساختار پوسته- هسته). این نانوکپسول ها، قابلیت محافظت نانومحفظه ای را به همراه نفوذپذیری کنترل شده دارد و بنابراین، می توانند برای رهایش خاص مواد کپسوله شده در داخل هسته ی داخلی، استفاده شوند.
Bellomo و همکارانش یک نوع جدید از کیسه های سنتزی را با میزان بالایی از کنترل تولید کرده اند. این بخش ها، با استفاده از کوپلیمرهای بلوک آمفیفیلکی، تولید شده اند. بلوک آب گریز از لیسین تولید می شود. این بخش ها به همراه واحدهای اتیلن گلیکول محلول در آب و بلوک های آب گریزی تولید شده اند که از پپتیدهای لیسینی، تشکیل شده اند. پلیمر سنتزی موجب تشکیل ساختاری ابرمولکولی با حساسیت بالا نسبت به سیگنال های محیطی، می شود که قادر است نسبت به تغییر در pH با دقت زیادی پاسخ دهند. این سیستم ها به عنوان حامل ها در دارورسانی، استفاده می شوند.
بیشتر سیستم های هوشمند رهایش دارویی، بوسیله ی انتقال فاز- حجمی تولید می شوند. به هر حال، Liu و همکارانش آماده سازی یک میکروژل بتا- سیکلودکسترینی را برای تولید وسایل تحویل دارویی گزارش داده اند.
پلیمرهای حساس به pH همچنین در کامپوزیت های آلی- غیر آلی استفاده می شوند. ماده ی حاصله هم دارای مزیت های مواد غیر آلی (پایداری مکانیکی بالا) و هم خاصیت کپسوله کردن پلی الکترولیت های معمولی را دارد. این مواد خواص رهایش کنترل شده ای دارند. در واقع این رهایش بر اساس تغییر در pH یا استحکام یونی انجام می شود. Shchukin و همکارانش در سال 2003، سنتز و شناسایی ویژگی های کپسول های تولید شده از کامپوزیت های غیر آلی/ آلی جدیدی را مورد بررسی قرار دادند که در آنها، ذرات غیر آلی به عنوان بلوک های ساختاری، به همدیگر متصل می شوند و همچنین پلی الکترولیت های حساس به pH نیز به آنها متصل شده است. علاوه بر کاربردهای متداول کپسول های پلی الکترولیتی در رهایش دارویی، این کپسول های کامپوزیتی می توانند همچنین به عنوان میکرو راکتورها در واکنش های آنزیمی و سنتز عوامل در فاز گازی (در تولید میکرومحفظه های توخالی) مورد استفاده قرار گیرد. بخش های غیر آلی همچنین کاربردهای پزشکی نیز پیدا کرده اند. از این مواد به همراه مواد دارویی کپسوله شده، می تواند اثرات درمانی توأمان ایجاد کرد یعنی استفاده از کپسول های حاوی هیدروکسی آپاتیت در ترمیم استحوان ها. این کپسول ها، می توانند همچنین به عنوان میکرومحفظه های محافظ جامد نیز مورد استفاده قرار گیرند. این مسئله به دلیل قابلیت این مواد برای حفظ حالت کره ای و خواص رهایش دارویی کنترل شده، می باشد.

حامل های ژن

پلی الکترولیت ها دارای پتانسیل بالایی در استفاده در بیوموادی می باشند که در تحویل مولکول های با بار مخالف، استفاده می شوند. یکی از کاربردهای متداول پلیمرهای حساس به pH، به عنوان حامل های ژن می باشد. DNA معمولی به سختی در سلول ها ترکیب می شود زیرا این ماده بار منفی دارد و در شرایط فیزیولوژیکی، دارای اندازه ی بسیار بزرگی است. لیپوزوم ها و پلی کاتیون ها دو گروه اصلی از روش های ژن رسانی شیمیایی غیر ویروسی هستند که DNA را از لحاظ بار به تعادل می رسانند. این مواد می توانند در محفظه های سلولی، وارد شوند. Godbey و Mikos برخی از مزیت های سیستم های تحویل ژنی غیر ویروسی را مورد بررسی قرار داده اند. این دو محقق از پلی (اتیلن ایمین(PEI) و پلی (L- لیسین) (PLL) به عنوان دو کاندید موفق برای این کاربردها، نام برده اند. PEI یک پلیمر سنتزی پلی کاتیونی است که موجب متراکم شدن DNA در محلول می شود و موجب تشکیل کمپلکس هایی می شود که به سهولت بوسیله ی بسیاری از انواع سلول ها، آندوکتوز می شوند. کیتوسان که در واقع یک آمینوپلی ساکارید زیست سازگارپذیر و با قابلیت جذب مجدد می باشد، به طور گسترده ای به عنوان حامل DNA استفاده می شود.
Lim و همکارانش یک پلی استر پلی کاتیونی، زیست تخریب پذیر و خود تخریب شونده به نام پلی (ترانس- 4 – هیدروکسی- L- پرولین) (استر PHP) به همراه هیدروکسی پرولین است، تولید کرده اند که یک جزء اصلی از کالوژن، ژلاتین و سایر پروتئین ها می باشد. استر PHP موجب تشکیل کمپلکس پلیمر/ DNA می شود که دارای قطر متوسط کمتر از 200 نانومتر می باشد. این کمپلکس می تواند سلول های پستانداران را برش دهد. این مسئله با ترانسفکشن بدست آمده بوسیله ی PLL قابل مقایسه می باشد. PLL متداول ترین پلیمر مورد استفاده در تحویل ژن می باشد.
Lim و همکارانش یک ماده ی مشابه با PLL را با استفاده از پلی [آلفا- (4- آمینوبوتیل)-L- گلیکولیک اسید] (PAGA) را برای استفاده به عنوان حامل ژن، مورد استفاده قرار دادند. این پلیمر DNA را در داخل یک پلیمر کروی متراکم می کند و تخریب تشدید شده ای را در زمان آزاد شدن، از خود نشان می دهند. این تخریب در طی تشکیل کمپلکس ها با DNA، کاهش می یابد. بازده ترانسفکشن کمپلکس های PAGA/ DNA در حدود دو برابر کمپلکس های PLL/ DNA می باشد. مهم ترین ویژگی این پلیمرها نسبت به لیپوزم های کاتیونی و دندریمرهای پلی آمیدو آمین ها (PANAM) حلالیت بالا، سمی نبودن و قابلیت تخریب پذیری در زمانی استفاده به عنوان حامل ژنی می باشد.
Kataoka اخیراً میسل های پلیمری از جنس پلیمرهای بلوک دکستروبیسین پلی (اتیلن گلیکول)- پلی (آسپارتام هیدرازین دکستروبیسین) را به عنوان نانوحامل های مورد استفاده برای انتقال ژنی و دارو رسانی، استفاده کرده اند. این پلیمرها داروها و ژن ها را در pH فیزیولوژیکی حفظ می کنند و دارو را در زمانی رهاسازی می کنند که pH به زیر 6.0 برسد.
پلی الکترولیت های آنیونی در توسعه ی سیستم های تحویل داروی داخل سلولی استفاده می شود. این سیستم ها با استفاده از مکانیزم های بی ثبات کنندگی غشائی، تولید می شوند. این پلیمرها، می توانند نسبت به واکنش با غشاهای فسفولیپیدی در تحریک های خارجی مانند اسیدی شدن محیط پیرامون، مقاوم باشند. این استراتژی، برای بهبود تحویل سیتوپلاسمی بیومولکول ها (DNA، پروتئین ها) مورد استفاده قرار می گیرد که در آن، ورود به سلول ها، از طریق اندوسیتوز و اندام های اسیدی انجام می شود.
گروه Hoffman تلاش های زیادی بر روی تولید سیستم های تحویل جدید برای ورود مؤثر بیومولکول ها به داخل اهداف داخل سلولی، انجام داده اند. آنها از مکانیزم مولکولی مورد استفاده بوسیله ی برخی از ویروس ها و پاتوژن هایی استفاده می شوند که در واقع قابلیت حس تغییرات pH اندک را در محفظه اندوسومی (endosomal compartment) دارند و بوسیله ی عدم ثبات در غشاهای اندوسومی، فعال سازی می شوند. این مکانیزم ها موجب افزایش انتقال پروتئین و DNA به داخل سیتوپلاسم از طریق محفظه داخل سلولی مانند اندوسوم، می شوند. آنها نشان دادند که استفاده از پلی (2- پروپیل اکریلیک اسید) (PPAA) (شکل 2dبخش اول این مقاله) موجب بهبود تحویل داخل سلولی پروتئین و DNA می شود. آنها همچنین سیستم های حامل تطبیق پذیرتری تولید کرده اند که در آنها، مونومرهای عامل دار جدید (مانند پیریدیل دی سولفید اکریلات، PDSA) استفاده شده است که موجب ترکیب مؤثر از طریق اتصال های سولفیدی می شود که می تواند پس از انتقال اندوسومی درمان گرها، کاهش یابد. PDSA با مونومرهای اسیدی آلکیل اکریلیک و مونومرهای آلکیل اکریلات، کوپلیمر می شوند. فعالیت عدم ثبات غشایی پلیمرها، به طول بخش های آلکیل و نسبت آنها در زنجیره های پلیمری نهایی، وابسته می باشد.

سنسورهای گلوکز

یکی از متداول ترین کاربردهای پلیمرهای حساس به pH، تولید سیستم های تحویل انسولین برای درمان بیماران دیابتی است. تحویل انسولین در سایرسیستم های دارورسانی، متفاوت است زیرا انسولین باید دقیقا در زمان مورد نیاز و به میزان مورد نیاز تحویل داده شود. بسیاری از وسایل برای این هدف توسعه یافته اند و تمام آنها دارای یک سنسور گلوکز است که بر روی این سیستم ها ساخته می شوند. در محیط های غنی از گلوکز، مانند جریان خون پس از وعده ی غذایی، اکسیداسیون گلوکز و تبدیل ان به گلوکز اسید که بوسیله ی گلوکز اکسیداز (GluOx) کاتالیست می شود، می تواند موجب کاهش در pH و رسیدن آن به میزان 5.8 شود. این آنزیم احتمالاً متداول ترین روش برای تشخیص گلوکز است و موجب می شود تا انواع متفاوتی از هیدروژل های حساس به pH برای تعدیل سیستم های تحویل انسولین، ساخته شوند.
پلیمرهای حساس به دما

ملاحظات عمومی

تغییرات پلیمرهای حساس به دما، متداول ترین طبقه از پلیمرهای حساس محیطی هستند که به منظور استفاده در زمینه ی بیومدیکال، مورد مطالعه، قرار گرفته اند. این نوع از سیستم ها، دارای دمای انحلال بحرانی هستند. این انحلال اغلب در آب صورت می گیرد و در این دما، فاز پلیمری به محلول تبدیل می شود. این کار با توجه به ترکیب آنها انجام می شود. سیستم هایی که بالاتر از یک دمای خاص، یک فاز دارند و زیر این دما، جدایش فازی دارند، در واقع دمای انحلال بحرانی بالایی (UCST) گفته می شود. به عبارت دیگر، در محلول های پلیمری که در زیر یک دمای خاصی، به صورت تک فاز هستند و در بالای این دما، دو فازی هستند، به این مواد، دمای محلول بحرانی پایین تر (LCST) نامیده می شوند. این نوع از پلیمرها، در واقع پلیمرهایی هستند که کاربردهای متعددی پیدا کرده اند. مثال نمونه وار از این پلیمرها، پلی (N- ایزوپروپیل اکریل آمید) (PNIPAAm) می باشد که دارای LCST در دمای 32 درجه ی سانتیگراد می باشد. در زیر این دما، پلیمر به دلیل برهمکنش های آب دوست، محلول می باشد. در واقع پیوند هیدروژنی در این حالت غالب است، در حالی که یک جدایش فازی در بالاتر از دمای LCST رخ می دهد که علت آن غلبه ی برهمکنش های آب گریز می باشد. سایر انواع حساسیت ها نسبت به دما، بر اساس برهمکنش های بین مولکولی ایجاد می شود، مشابه با پلورونیک ها (Pluronics) یا پولوکامرز (Poloxamers) (PEO-PPO-PEO). این پلیمرها، ارتباط آب گریز بلوک های PPO منجر به تشکیل ساختارهای میسلی در بالاتر از دمای تشکیل بحرانی میسل (CMT) می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Smart Polymers and Their Applications as Biomaterials/ M.R.Aguilar et al.
 
 


ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
تخمین زمان مطالعه:
پدیدآورنده: علی اکبر مظاهری
موارد بیشتر برای شما