پلیمرهای قالب مولکولی

پلیمرهای قالب مولکولی به چه موادی گفته می شود؟

پلیمرهای قالب مولکولی به دسته‌ای از بسپارها گفته می‌شود که با استفاده از روشی با نام نشانه‌گذاری مولکولی ساخته می‌شوند و در این روش حفره هایی در داخل ماتریس اصلی ماده پلیمری به وجود می‌آید که می‌تواند به عنوان قالب مولکولی انتخاب شده مورد استفاده قرار گیرد. این فرآیند معمولاً شامل آغاز بسپارش مونومرها در حضور قالب مولکولی میشود که پس از آن استخراج شده و در نهایت تعدادی از حفره های متعددی را ایجاد خواهد کرد. این دسته از پلیمرها میل ترکیبی بسیار زیادی با مولکول های اصلی دارند و در حوزه‌های متفاوتی همانند جداسازی شیمیایی ها و سلول های مولکولی به کار برده شدند. تحقیقاتی که در خصوص این دسته از پلیمرها صورت گرفته است به دهه ۳۰ میلادی باز می گردد.

روشهای نشانه گذاری مولکولی کدامند؟

نشانه گذاری مولکولی به فرآیندی گفته می‌شود که در آن نوعی آثار به روی یک ماده جامد و یا یک ماده ژل مانند، اندازه، شکل و توزیع بار آن به وجود می‌آید که در واقع ارتباط بسیار زیادی با قالب اصلی مولکول دارد. گیرنده های ترکیبی می‌توانند به مولکول موردنظر متصل شوند که در نهایت در محل های اتصال قرار می‌گیرند و از ویژگی‌های خاصی برخوردارند. برهمکنش های بین ماده پلیمری و قالب ها شباهت بسیار زیادی با برهمکنش های بین پادتن ها و پادژن ها دارند که از برهمکنشهای الکترواستاتیک، پیوندهای هیدروژنی، نیروهای واندروالس و انواع آب ترس برخوردارند. یکی از بزرگترین مزیت های گیرنده های مصنوعی در برابر گیرنده‌های طبیعی در این مورد خلاصه می شود که طراحی مولکولی با آزادی زیادی صورت می گیرد. چارچوب اصلی تعریف شده در این موارد نیز به پروتئین ها محدود نمی شوند و انواعی از اسکلت ها و ساختارها همانند زنجیره های کربنی و حلقه های آروماتیک می‌توانند به کار برده شود. این در حالی است که خواصی مانند پایداری، انعطاف پذیری و سایر موارد به صورت آزادانه و با توجه به نیاز موجود متعادل می‌شوند. گروههای کارکردی که در طبیعت پیدا نمیشود هم قابلیت بکارگیری در این ترکیبات مصنوعی را دارند. درصورت لزوم و شروع پاسخگویی در برابر محرک های خارجی همانند انتشار نور، تغییرات میزان pH، میدان های مغناطیسی و الکتریکی و سایر موارد می‌تواند با استفاده از گروههای کارکردی متناسب به وجود آید. در فرآیندهای نشانه گذاری مولکولی به یک قالب، مونومرهای کارکردی، شبکه سازها، آغازگرهای بسپارشی دیگر و یا رادیکال ها، حلال های حفره ساز و حلال های استخراجی نیاز می باشد. با توجه به روش بسپارش و شکل نهایی ماده پلیمری یک و یا چند تا از این عامل ها را می توان کنار گذاشت. دو روش اصلی به منظور ساخت این پلیمر های ویژه وجود دارد. روش اول با نام خود سامانی و یا خود چینشی ساخته می‌شود که شامل شکل گیری مواد پلیمری با ترکیب تمامی المان‌های پلیمرهای قالب مولکولی و فراهم سازی امکان ایجاد برهم کنش ها و ایجاد پلیمر های دارای اتصالات عرضی می باشد که با استفاده از پیوند های مولکولی قالبی به یکدیگر متصل شدند. روش دوم شامل پیوند کووالانسی بین مولکول قالبی و مونومر می‌شود که در آن پس از انجام بسپارش مونومر از جای مولکول قالبی جدا می‌شود. گزینه های متفاوت نیز با توجه به نوع و میزان واحدهای شبکه ای بکار برده شده در سنتز مولکول های قالبی تاثیر می پذیرند. گزینش محتاطانه مونومر کارکردی یکی دیگر از انتخاب‌های مهمی می‌باشد که به منظور ایجاد برهمکنشهای تکمیلی با قالب و زیر لایه های آن صورت می پذیرد و در یک پلیمر نشانه گذاری شده شبکه ساز ها از کارکرد بسیار مهمی برخوردارند که در این موارد خلاصه می شوند: در مرحله اول شبکه سازها در کنترل ظاهر ماتریس پلیمری اهمیت بسیار زیادی دارند و فرقی ندارد که این مواد از نوع ژل و یا حفره دار باشند و یا از دسته ی پودرهای میکروژل باشند. کارکرد دوم آنها نیز پایداری محل های اتصال نشانه گذاری می باشد و در نهایت نیز باعث ایجاد پایداری مکانیکی بر روی ماتریس پلیمری میشود. اگر بخواهیم به فرایند بسپارش توجه کنیم نسبت بالای شبکه ‌سازی معمولاً از ارجحیت بالاتری برخوردار است تا بتوان دسترسی دائمی به مواد داشت و بتوان انواعی از مواد را تولید کرد که از پایداری مکانیکی کافی برخوردارند. روش خود سامانی از مزایای بیشتری برخوردار است زیرا باعث می شود تا محل های اتصال به صورت طبیعی شکل بگیرند که انعطاف پذیری بیشتری در انواعی از مونومرها به وجود خواهد آورد که قابلیت بسپارش را دارند. روش کوالانسی نیز از مزایای ویژه خود برخوردار است و محل های اتصال همگن بسیاری را تولید می‌کند اما در ابتدا باید سنتز مولکولهای نشانه گذاری شده مشتق انجام بگیرد و نمی تواند شرایط طبیعی را به وجود آورد که در مکان‌های دیگری یافت می شود. در سال‌های اخیر علاقه به فرایندهای نشانه گذاری مولکولی با سرعت بسیار زیادی افزایش پیدا کرده است و علاوه بر انجمن‌های آکادمی شامل حوزه صنعتی نیز می‌شود و پس از آن نیز می‌توان اشاره کرد که پیشرفت‌های بسیار قابل توجهی در توسعه روش های بسپارشی به وجود آمده است که توانسته است انواعی از پلیمرهای قالب مولکولی را با امکان بسپارش مناسب به وجود آورد که انتظار می‌رود کارکرد بالاتری داشته باشند و علاوه بر آن تناسب بیشتری با مصارف نهایی نیز خواهند داشت همانند زمینه‌های اصلی، فیلم ها و یا ذرات نانو. یکی از مشکلات اصلی که عملکرد این دسته از این پلیمرها را در حوزه‌های کاربردی بسیار محدود کرده است کمبود روش های متناسب و ساده به منظور سنتز این پلیمرها در شکلهای بهینه می باشد که معمولاً در انواعی از کارکردها مورد نیاز است. با توجه به حقایق تاریخی موجود، روش بسپارش به کار برده شده برای این دسته پلیمرها بر اساس روش محلول و یا توده ای صورت گرفته است که در واقع رایج‌ترین تکنیکی است که توسط گروهی به کار برده می شود که به روی نشانه‌گذاری کار می‌کنند و این موضوع به طور ویژه ناشی از تنوع و سادگی ان است. این روش به طور انحصاری با تعداد زیادی از حلالهای ارگانیک انجام می‌گیرد که دارای ضریب دی الکتریک پایین می باشند و در آنها ترکیبی از تمامی ذرات همانند قالب، مونومرها، حلال‌ها و آغازگر ها وجود دارد و پس از آن نیز مرحله بسپارش صورت خواهد گرفت. در مرحله بعد بلوک به دست آمده از ماده پلیمری نرم میشود و انواعی از قالب های موجود در آن کاملاً خراب می‌شوند و ذراتی به وجود می‌آیند که دارای شکل نامنظم و اندازه ای بین ۲۰ تا ۵۰ نانومتر هستند. پلیمرهای قالب مولکولی با توجه به نوع قالب و کارکرد نهایی دارای شکل های متفاوتی می باشند همانند ذرات کروی میکرو و یا نانو، سیم‌های نانو، فیلم های نازک یا غشاهای متفاوت. علاوه بر آن امکان تولید این پلیمرها با تکنیکهای بسپارشی متفاوت نیز وجود دارد همانند روش توده ای، رسوب دهی، امولسیون، سوسپانسیون، پاشیدگی، ژلاتینه سازی و بسپارش تورمی دو مرحله ای. تعداد زیادی از محققینی که در این حوزه فعالیت دارند سعی می‌کنند تا پلیمرهای قالب مولکولی را با استفاده از تکنیک‌های هیوریستیک همانند متدهای نشانه‌گذاری سلسله‌ مراتبی تولید نمایند.

سنتز فاز جام

نشانه گذاری مولکولی فاز جامد اخیراً به عنوان روش جایگزین برای نشانه گذاری توده ای سنتی به کار برده شده است که می تواند ذرات نانوی محلول در آب را تولید کند. همانند آنچه که از نام آن مشخص است این فرایند نیازمند ساکن سازی مولکولهای هدف به روی یک محل جامد می باشد پیش از آنکه روند بسپارش آغاز شود و شباهت بسیار زیادی با سنتز فاز جامد پپتاید ها دارد.

مدل سازی مولکولی

مدل سازی مولکولی به عنوان یک انتخاب مناسب در طراحی پلیمرهای قالب مولکولی و تحلیل آنها مد نظر قرار گرفته است و امکان انتخاب سریع مونومرها و بهینه سازی ترکیبات پلیمری را فراهم می‌کند که در آن انواعی از فرایندها به کار برده شدند. استفاده از روش مدل سازی مولکولی با این ظرفیت معمولاً به فردی با نام Sergey A. Piletsky نسبت داده می‌شود که متدی برای ارزیابی اتومات پایگاه های داده وسیعی از مونومر ها را در برابر یک هدف مشخص و یا قالبی با یک رویکرد مکانیکی مولکولی پیشنهاد نمود. در سالهای اخیر پیشرفتهای فناوری محور این امکان را به وجود آورده‌اند تا تحلیل موثر بر هم کنش های قالب مونومری توسط مدلسازی مولکولی مکانیکی کوانتوم صورت گیرد و با این روش امکان محاسبه انرژی های اتصالی با دقت بسیار بیشتری به وجود خواهد آمد. دینامیک های مولکولی نیز برای تحلیل سیستم ها پیش از انجام بسپارش به کار برده شده اند و پلیمرهای نهایی نیز شامل ذرات سیستمی بیشتری می باشند همانند آغازگرها، شبکه سازها و حلال‌ها که دقت بالاتری در پیش‌بینی سنتز موفق پلیمرهای یاد شده را در مقایسه با برهم کنش های قالب مونومری به تنهایی دارند. مدلسازی مولکولی به خصوص دینامیک های مولکولی و یا تکنیک های درشت دانه ها را می توان به مدلهای تئوری محور بهتری تبدیل کرد.

چه محدودیت هایی در تولید این دسته از پلیمرها وجود دارد؟

 تولید پلیمرهای قالب مولکولی جدید دارای چالش‌های بسیار زیادی است که منحصر به همین حوزه می‌شود و این چالش ها از این حقیقت ناشی می شوند که تمام زیر مجموعه ها از یکدیگر متفاوت بوده و به مونومرها و ترکیبات شبکه ساز متفاوتی نیاز دارند تا بتوانند پلیمرهای نشانه گذاری شده را برای زیر لایه ها به وجود آورند. مشکل اول که چالش‌های کمتری را به وجود می‌آورد شامل انتخاب مونومر هایی است که بتوانند فضای اتصال کافی را به وجود آورند که مکمل گروههای کارکردی مولکولهای زیر مجموعه می باشد. به عنوان مثال انتخاب مونومرهای آب ترس به منظور نشانه گذاری با زیر لایه های آب دوست اشتباه می باشد و قبل از ساخت یک پلیمر قالب مولکولی باید به آنها توجه نمود. مدلسازی مولکولی نیز می‌تواند به منظور پیش‌بینی برهمکنشهای مطلوب بین قالب‌ها و مونومرها مورد استفاده قرار بگیرد و امکان انتخاب مونومرهای هوشمند را فراهم سازد.

مترجم: ف.آل احمد