هیدراسیون سطح

دسته: مقالات منتشر شده در 08 خرداد 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 53

هیدراسیون سطح: اصول و کاربردهای مواد بیولوژیکی کم رسوب / ضد رسوب

مقاومت سطح در برابر جذب پروتئین غیراختصاصی، چسبندگی سلول/باکتری و تشکیل بیوفیلم برای توسعه و عملکرد ابزار تحلیلی و زیست پزشکی بسیار مهم است. تلاش های چشمگیری در تولید مواد زیست سازگار و زیست فعال برای سطوح ضدآلودگی صورت گرفته است اما به دلیل پیچیدگی آزمایشات و کمبود مدل های تئوری قوی، بسیاری از فعالیت ها همچنان بصورت تجربی باقی مانده اند. در این بررسی، دو کلاس مهم از مواد ضد رسوب (برای مثال هیدروفیلیک و زوئیتریونیک) و مکانیزم های اصلی ضد رسوب مرتبط و نمونه های عملی مورد بحث قرار گرفته اند. گروههای شیمیایی بسیار هیدراته با خواص فیزیکی سطحی بهینه همراه با روش های مناسب پوشش سطحی نقش مهمی در توسعه مواد ضد رسوب مقاوم و مؤثر در کاربردهای طولانی مدت زیست پزشکی ایفا می کنند. پلیمرهای زوئیتریونیک به دلیل سادگی در سنتز، سهولت کاربرد، فراوانی مواد اولیه و در دسترس بودن برای گروه های عملکردی نوید دهندۀ بیومتریال های ضد رسوب هستند.

 

نیاز به تولید مواد ضد رسوب جدید برای مقاومت در برابر جذب پروئتین غیراختصاصی و چسبندگی سلول برای ایمپلنت های پزشکی، حامل های دارورسانی، حسگرهای زیستی و پوشش های دریایی به شدت وجود دارد. بطور کلی اعتقاد بر این است که کاهش رسوب بیولوژیکی میتواند بطور قابل توجهی باعث تضعیف پاسخ های ضدالتهابی معکوس بعدی همچون فعال شدن لکوسیت، فیبروزهای بافت، انعقاد ترومبوز و عفونت شود. ازطرف دیگر، جذب فیبرینوژن حتی 10 نانوگرم در سانتی متر مربع میتواند باعث ایجاد چسبندگی بالای پلاکت خون شود؛ در نتیجه منجر به نارسایی ابزار کاشته شده در بدن و نتایج نامطلوبی برای بیماران میشود. مواد پلیمری (اتیلن گلیکول) نیز به خاطر قابلیت رسوب زدایی بالای شان در مقاومت در برابر جذب پروتئین غیراختصاصی و چسبندگی سلول بخوبی نشان داده شده اند. اما این مواد در اکثر محلول های بیو شیمیایی به راحتی در معرض اکسیداسیون قرار می گیرند. تلاش بسیاری در یافتن جایگزین مناسب برای مواد ضد رسوب با پایداری بالاتر از مواد پلیمری صورت گرفته است که در نتیجه، به پیشرفت قابل توجهی در توسعه مواد بهبود یافته منجر شده است. دو کلاس مهم از مواد غیر رسوبی به نامهای مواد هیدروفیلیک و پلی زوئیتریونیک در جدول یک ارائه شده اند.

 

جدول 1: بررسی مواد ضد رسوبی هیدروفیلیک و پلی زوئیتریونیک

 Surface hydration

 

تعدادی از مواد پلی هیدروفیلیک کم رسوب یا ضد رسوب من جمله مواد پلیمری، پلی ساکاریدها و پلی آمیدها دارای برخی از خواص ساختاری و شیمیایی مشترک هستند: طبیعت آبدوست، خنثی بودن الکتریکی و پذیرنده / اهداء کننده پیوند هیدروژن. مواد پلی زوئیتریونیک را میتوان به پلی بتائین های حامل بار مثبت و منفی در واحد مونومر مشابهی همچون متاکریلوئیلوکسی اتیل فسفوریل کولین -2، سولفوبتائین متاکریلات، کربوکسی بتائین متاکریلات طبقه بندی کرد. از آنجا که تمام پروتئین ها دارای پسماند بار مثبت و منفی هستند که بطور تصادفی در سطح آنها توزیع میشوند؛ میتوان آنها را به راحتی به سطوح دارای بار مثبت یا منفی چسباند. همچنین پیشنهاد میشود که یک مخلوط همگن در مقیاس نانو از گروه های بار متعادل از مواد پلی زوئیتریونیک بتوان بعنوان کلید کنترل خواص ضد رسوبی عمل کند. جدا از مواد کاربردی، بسته بندی سطحی نیز نقش مهمی در دستیابی به خواص ضد رسوبی سطح برعهده دارد. پوشش سطحی و روشهای اصلاح شامل جذب فیزیکی ازطریق برهمکنش های آبگریز یا پوشش چرخشی، اتصال شیمیایی، تک لایه های خود مونتاژ، فرایند "پیوند از سطح" ازطریق سطح آغاز انتقال اتم پلیمریزاسیون رادیکال، "پیوند به سطح" ازطریق غوطه وری، پیوند عرضی یا واکنش گروه های خاص پلیمرها با بستر و درمان با پلاسما میشوند. این فرضیه به این دلیل مطرح شده است که قابلیت ضد رسوبی مواد پلی آبگریز و پلی زوئیتریونیک کاملآ با یک لایه هیدراسیون نزدیک به سطح در ارتباط است؛ زیرا یک لایه آب بسته شده مانعی فیزیکی و انرژی ایجاد میکند تا از جذب پروتئین در سطح جلوگیری کند. مولکول های آب موجود در نفوذ به مواد ضد رسوبی میتوانند به دو نوع آب "متصل به سطح" طبقه بندی شوند که هم ازطریق اتصال پیوند هیدروژنی برای مواد آبدوست و هم ازطریق حلالیت یونی قوی برای مواد زوئیتریونیک تشکیل میشوند. اخراج مولکول های آب از سطح و پروتئین اولین و اجباری ترین مرحله برای تسهیل جذب پروتئین با کاهش موانع انرژی آزاد ناشی از اثرات آنتروپیک کمبود آب است که میتواند یک دلیل ذاتی برای مواد ضد رسوبی محسوب میشود. قدرت هیدراسیون سطح در درجه اول با خواص فیزیوشیمیایی مواد (برای مثال وزن مولکولی و شیمی سطح) و بسته بندی (برای مثال ضخامت فیلم، تراکم بسته بندی و ترکیب زنجیره ای) تعیین میشود. جدا از این، قابلیت انعطاف پذیری زنجیره ای نیز نقش مهمی در مقاومت به پروتئین بویژه برای پلیمرهای دارای زنجیره بلند ایفا می کند. با نزدیک شدن پروتئین به سطح، فشرده سازی زنجیره های پلیمری باعث میشود تا دافعه استریک به دلیل کاهش نامطلوب آنتروپی در برابر جذب پروتئین مقاومت کند. اگرچه اکثر پلیمرهای محلول در آب میتوانند تا حدی جذب پروتئین را کاهش دهند اما بهترین قابلیت ضد رسوبی در پلیمرها تنها زمانی میسر میشود که هیدراسیون سطح و دافعه استریک با هم کار کنند. همانطور که در بخش سوم از شکل یک نشان داده شده است، حدس زده میشود که اگر قابلیت زنجیره ای نقش کمرنگی برعهده داشته باشد، هیدراسیون زنجیره ای تنها منبعی برای مقاومت در برابر جذب پروتئین محسوب میشود؛ درحالی که طبق بخش های اول و دوم از همین شکل، اگر قابلیت اثبات پذیری زنجیره ای نقش مشخصی برعهده داشته باشد، هم انعطاف پذیری زنجیره ای و هم هیدراسیون آن نقش مهمی ایفا می کنند.

 

شکل 1: تعیین هیدراسیون و انعطاف پذیری زنجیره ای.

a: پلیمرهای آبگریز. b: پلیمرهای زوئیتریونیک. c: تک لایه های خود مونتاژ که براساس مقاومت سطح به جذب پروتئین غیر اختصاصی به دو روش مختلف مشخص شده اند. 

 Surface hydration

 

اخیرآ چندین نمونه از بررسی مواد ضد رسوبی منتشر شده است که در آنها انواع مختلف مواد ضد رسوبی تولید شده با روشهای مختلف سنتز شده اند. با این حال، معتقدیم که یک بررسی دقیق و جامع تر که اصول طراحی و کاربردهای بیولوژیکی را با هم ترکیب میکند، میتواند برای بیومتریال بسیار مفید باشد. این بررسی ها دارای سه بخش مهم هستند: بخش اول، اهمیت هیدراسیون سطح در مقاومت به پروتئین را با استفاده از شواهد تجربی و محاسباتی مورد بحث قرار میدهد. بخش دوم، روی مواد آبدوست متمرکز است درحالی که در بخش سوم، تمرکز اصلی متوجه مواد زوئیتریونیک براساس مفهوم افزایش هیدراسیون سطح است. نمونه هایی  از مواد ضد رسوبی و روش های پیوند سطح مرتبط با آن به منظور بیان اصول اساسی و کاربردهای عملی ارائه شده اند. در ادامه، پیشرفت های اخیر و چشم اندازهای آینده را نیز مورد بحث قرار میدهد.

 

توسعه مواد ضد رسوبی و روش های پوشش سطح مرتبط برای بسیاری از کاربردهای زیست پزشکی بسیار مهم هستند. مواد زوئیتریونیک بویژه برای پلیمرهای پلی آمفولیت بسیار مناسب هستند و میتوانند در تولید مواد ضد رسوبی و ضد میکروبی نسل بعدی نقش مهمی برعهده داشته باشند. از مزیتهای مواد زوئیتریونیک ضد رسوبی میتوان به سادگی سنتز، سهولت کاربرد، فراوانی مواد اولیه و در دسترس بودن در گروههای عملکردی اشاره کرد. با درک مکانیسم ضد رسوبی و اصول طراحی که خواص ضد رسوبی را طبق شیمی سطح و بسته بندی فیزیکی مواد به هیدراسیون سطح نسبت میدهد، مسیر انجام تحقیقات در آینده میتواند بر توسعه مواد ضد رسوبی با خواص کلی و عملکرد ویژه برای پاسخگویی به چالش عملکرد پایدار بلند مدت در شرایط پیچیده تر در داخل بدن متمرکز شود. بویژه اینکه

1-    گروه های عملکردی زوئیتریونیک که دارای حداکثر قطبیت هستند برای افزایش هیدراسیون سطح ازطریق برهمکنش های الکترواستاتیک استفاده میشود.

2-     گروههای عملکردی همانند گروه های کربوکسیل یا آمینو بخشی از مواد ضد رسوبی محسوب خواهند شد، برای مثال پلی BC عملکردی دوگانه میتواند به مقاومت در برابر پروتئین و عدم تحرک لیگاند دست یابد.

3-     جدا از شیمی سطح، برای بهینه سازی خواص فیزیکی سطح  بایستی رویکردهای جدید سنتز و پوشش سطح را ایجاد کرد. اطلاعات اساسی برای درک ما از فاکتورهای دخیل در پلیمرهای ضد رسوبی بسیار مفید هستند و این اطلاعات نیز مبنایی برای تلاش در زمینه طراحی مواد زوئیتریونیک خیلی اثربخش و جدید محسوب میشوند.