پلیمرهای LCST

پلیمرهای LCST: مونتاژهای نانوساختار پاسخگو حرارتی به کاربردهای زیست محیطی

پلیمرهای پاسخگو حرارتی به دلیل انتقال حرارتی برگشت پذیر کویل به گلوب از اهمیت بالایی در کاربردهای زیست پزشکی برخوردار هستند؛ بطوری که می توانند در بسیاری از برنامه های زیست پزشکی همچون دارورسانی بصورت هیدروژل های فله ای و نانوذرات،تنظیمات کشت سلول "هوشمند"،حسگرها و محرکها، و فناوری های جداسازی مورد استفاده قرار گیرند. در این مقاله، خصوصیات اساسی فیزیوشیمیایی پلی ایزوپروپیل اکریل آمید PNIPAM را بعنوان گسترده ترین پلیمر پاسخگو با دمای پائین محلول ارائه می دهیم. همچنین پارامترهای اساسی ترمودینامیکی و فیزیوشیمیایی اثرگذار بر LCST را بررسی کرده و برنامه های انتخابی از پلیمرهای پاسخگو حرارتی در قالب مجموعه های نانو من جمله میسل ها، پلیمرزوم ها، میکروکپسول ها، میکروژل ها و همچنین هیدروژل های تزریقی برای کاربردهای زیست پزشکی ارائه می دهیم.

مواد پلیمری کاربردهای بیشماری در حوزۀ زیست پزشکی بعنوان بیومتریال، فیلرها، اجزای ساختاری، حسگرها و محرک ها، ماتریس های مهندسی بافت و همچنین سیستم های دارورسانی دارند. پلیمرهای "هوشمند" بعنوان یک زیرمجموعه از این پلیمرها می توانند خواص فیزیکی - شیمیایی شان را در پاسخ به محرکهایی همچون گرادیانت pH، وجود یک تجزیه کنندۀ خاص، تابش یا گرما تغییر داده و آنها را قادر می سازد تا بعنوان تعدیل کننده دینامیکیِ علائم بیوشیمیایی در تداخل علوم بیولوژیکی و زیست پزشکی به کار گرفته شوند. پلیمرهای پاسخگو حرارتی دسته جالبی از مواد را تشکیل می دهند که می توانند با استفاده از یک محرک حرارتی در یک پنجره باریک، خواص فیزیوشیمیایی خود را تغییر دهند. طی 50 سال گذشته، این نوع پلیمرها با مشارکت های مهمی در حوزه های دارورسانی کنترل شده، فناوری کشت سلولی و مهندسی بافت، علوم زیستی تحلیلی برای جداسازی، و همچنین در فناوری های حسگرها و محرک ها رشد چشمگیری داشته اند. این کار اولین بار توسط هسکینز و جویلت انجام شد که زمینه را برای مطالعه و بررسی مکانیسم انتقال حرارتی در پلی PNIPAM بعنوان پلیمر پاسخگو حرارتی مصنوعی معرفی کردند. پس از آن، اقدامات مهمتری به دنبال ایده پردازی هیدروژل های واکنش پذیر حرارتی با پایۀ PNIPAM انجام شد که نشان دهندۀ تغییرات حجمی کنترل شدۀ حرارتی، میسل های پاسخگو حرارتی که داروهای ضدسرطانی رابه روش تقاضا آزاد می کنند، سطوح پوششی PNPAM "هوشمند" برای کاربردهای مهندسی ورق سلولی، و مزدوج های پروتئین PNIPAM با فعالیت زیستی کنترل شدۀ حرارتی هستند. ظهور مسیرهای پلیمریزاسیون رادیکال غیرفعال کننده برگشت پذیر RDRP و پروتکل های مزدوج ازطریق شیمی "کلیک" این امر را بیشتر تقویت می کند؛ چرا که زمینه را برای کنترل قوی ساختارهای ماکرومولکولی بر روی سطوح و رابط ها، علاوه بر اتصال دقیق در زیست مولکول ها و نانوذرات که قبلآ امکان پذیر نبوده است فراهم می کند. امکان ترکیب PNIPAM با علائم محرک اضافی کاربردهای بالقوۀ زیست پزشکی را با وجود نیاز به پاسخ های چند محرکۀ پلیمر حتی در ظریف ترین لایه های محیطی و شرایط ایزوترمال بیشتر گسترش داد. در اینجا، خواص کلیدی PNIPAM و دیگر پلیمرهای LCST، ترمودینامیک LCST و فاکتورهای اثرگذار بر آن، و در نهایت چند نمونه از کاربردهای PNIPAM بعنوان یک عنصر ماکرومولکولی پاسخگو را تفسیر می کنیم. اگرچه چندین مقاله مروری وجود دارد که خلاصۀ مفاهیم پلیمرهای پاسخگو و کاربردهای آنها از دیدگاه های مختلف را بیان می کنند، اما ما در این مقاله نه تنها یک بررسی کلاسیک ارائه می دهیم بلکه یک مرجع مقدماتی از مفاهیم اساسی پلیمرهای LCST، اغلب در قابل نانو مونتاژ همراه با برنامه های انتخابی اخیر در حوزۀ زیست پزشکی بیان می کنیم.

ترمودینامیک های LCST

برهم کنش های حلال پلیمری به اقدامات اساسب فلوری و هاگینز بر می گردد که برای اولین بار پارامترهای برهم کنش پلیمر با حلال را توصیف کرده و انحراف حلالیت پلیمر را از انحلال کلاسیک مولکول های کوچک تفسیر کردند؛ به دنبال آن مفهوم حجم آزاد برای توضیح دمای پائین/ بالای محلول بحرانی استفاده شد. همانطور که در بخش اول از طرح یک بیان شده است، بطور کلی پلیمرهای پاسخگو حرارتی بسته با اینکه دمای کمترمحلول بحرانی LCST یا بالاتر UCST به دو دسته تقسیم می شوند؛ که هر دو دسته شامل پلیمرهایی می شوند که خواص فیزیوشیمیایی خود را بیش از یک درجه حرارت خاص تغییر می دهند. پلیمرهای UCST در دمای پائین حل نمی شوند و برعکس، در فرایند انتالپی محور اینطور نیست. پلیمرهای نوع LCST در دمای پائین با حلال خود بخوبی تعامل می کنند اما تحت تأثیر انتقال شدید کویل به گلوب بالاتر از LCST شان قرار گرفته و با افزایش آنتروپی از محلول خارج می شوند. هر دو مکانیزم دارای خواص آبگریزی هستند و میتوان آنها را بعنوان سیستم های دوگانه متشکل از حلال (یا مخلوطی از حلال ها) و پلیمر توصیف کرد؛ علیرغم اینکه اختلاط آنها به دما و کسر پلیمر بستگی دارد. همانطور که در بخش دوم از همین طرح ارائه شده است، مرز فاز نشان بصورت بینودال داده میشود و به دمایی مربوط است که در آن اختلاط زدایی در هر کسر حجمی پلیمر اتفاق می افتد. در زمینه کاربردهای زیست پزشکی، تاکنون بیشترین پلیمرهای مورد مطالعه مواردی هستند که با آب و بویژه پلیمرهای  LCSTدر تعامل هستند. همانطور که قبلا هم گفته شد، پلیمرهای PNIPAM بعنوان پلیمرهای پاسخگو حرارتی بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته اند، زیرا ظهور LCST به دمای فیزیولوژی (32 درجه سانتیگراد) نزدیک بوده و شبیه به ساختار ایزولوسین عمل می کند؛ بنابراین میتواند بعنوان تقلیدی از پلی پتید در نظر گرفته شود. PNIPAM در محیط های آبی متأثر از انتقال کویل به گلوب انتروپیکقرار می گیرد. علاوه براین، انتقال اختلاط/ اختلاط زدایی کنترل شدۀ حرارتی را میتوان با معادلۀ انرژی آزاد گیبس ΔG = ΔH-TΔS  درک کرد؛ در دمای پایین T>LCST ، انتالپی اختلاط به دلیل تشکیل پیوندهای هیدروژن بین مولکول های آب و بخش های آمید که حالت مرتب تری از ΔS منفی را منتقل می کنند منفی است. این یک اصطلاح انتالپیک است که باعث منفی شدن اختلاط ΔG میشود. افزایش دما نیز باعث آشفتگی و درنهایت اختلال در پیوندهای هیدروژن در دمای نزدیک به LCST میشود. در LCST، شکست اندوترمی باعث میشود تا آنتالپی کمتر منفی باشد و از طرفی، آنتروپی نیز باعث میشود تا TΔS منجر به فاز جداسازی و اختلاط زدایی شود.

در T>LCST، فعل و انفعالات آبگریز در بخشهای اصلی و ایزوپروپیل تسلط دارند و باعث تشکیل گلبول پلیمری می شوند که در غلظت های بالاتر میتواند بصورت لخته و بارش در محیط های آبی مشاهده میشود. آنجا که انتقال کویل به گلوب بیشتر جهت گیری مجدد مولکول های آب در زمان اختلاط را تحت تأثیر قرار میدهد، انتقال در مقایسه با پلیمرهای UCST بسیار سریعتر انجام میشود؛ بطوریکه نشان میدهد که چرا از پلیمرهای LCST در مقایسه با نمونه های UCST در حوزه زیست پزشکی بسیار مورد استفاده هستند. همچنین لازم به ذکر است که PNIPAM در حالت فروپاشی کاملآ دی هیدرات نشده است و فعل و انفعالات آبگریز بر سطح LCST غالب هستند؛ اما گلوب ها همچنان حاوی مقدار قابل توجهی آب هستند. فرایند انتقال حرارتی کاملآ برگشت پذیر است که پس از استفاده از جهش درجه حرارت بالاتر از LCST در طی چند میکروثانیه اتفاق افتاده و براساس غلظت پلیمر، میزان گرمایش/ خنک سازی تجربی، توپولوژی و محدودیت پلیمر، وجود بخش های آبگریز رخ میدهد. LCST کمترین دمای بینودال است که در آن مخلوط زدایی مشاهده میشود و نباید با دمای نقطه ابری (Tcp) اشتباه گرفته شود. دسته دوم بعنوان دمایی تعریف شده است که در آن فاز جداسازی در غلظت پلیمری خاص معمولآ همراه با یک مشخصۀ ابری محلول اتفاق می افتد. اندازه گیری های کدورت سنجی با UV/V با اسپکترومتری همراه با کنترل دما معمولآ برای تعیین LCST مورد استفاده قرار میگیرد؛ اگرچه از کالریمتری اسکن دیفرانسیل، پراکندگی نور و تشدید مغناطیسی هسته ای نیز میتوان برای تعیین رفتار حرارتی استفاده کرد.

نمودار 1: طرح انتقال کویل به گلوب با حلال پلیمری کمتر از LCST و تعیین برهمکنشهای آبگریز بالاتر از آن.

a: نمودار دو حالته برای پلیمرهای LCST/U براساس کسر پلیمر ϕ؛

b: نمودار انتقال درمقایسه با دمای نمونه های PNIPAM آبگریز با انتقال کامل کمتر از LCST با سرکوب کامل بالاتر از آن در c

عوامل مؤثر بر LCST

LCST در PNIPAM براساس ساختار مولکولی و محیط آبی میتواند تحت تأثیر پارامترهای زیادی قرار گیرد. در برخی مطالعات نشان داده شد که گروه نهایی هنگام تهیه پلیمر با آغازگرهای آزو همانند آزوایزو بوتیرونیترول (AIBN) میتواند LCST را تحت تأثیر قرار دهد. تأثیر جزئی LCST نیز با استفاده از آغازگرهای پرسولفات پتاسیم مشاهده شد که فقط در نمونه های پلیمر با وزن مولکولی پایین قابل توجه بود. همچنین انتظار میرود گروه های انتهایی محلول من جمله –NH2 و OH- منجر به افزایش LCST شوند؛ در حالیکه به نظر می رسد گروههای انتهایی آبگریز آن را کاهش دهند. این تأثیرات توسط مسیرهای کنترل شده پلیمریزاسیون من جمله پلیمریزاسیون رادیکال انتقال اتم (ATRP) و پلیمریزاسیون های انتقال زنجیرۀ تکه ای برگشت پذیر (RAFT) مشاهده شده است و بطور کلی، در نمونه های کمتر از 50 کیلو دالتون گزارش شده اند. به نظر میرسد تاکتیکی بودن پلیمر حلالیت را تحت تأثیر قرار میدهد. از آنجا که ایزوتاکتیک و سیندیوتاکتیک محلول نیستند؛ قرار دادن بلوک همسان در زنجیره پلیمر تصادفی PNIPAM برای سرکوب نقطه ابری انجام میشود؛ درنهایت، به نظر می رسد که توالی مونومر در سراسر زنجیرۀ پلیمر نقش مهمی در خواص فیزیوشیمیایی پلیمرهای واکنش پذیر دارد و همچنان یک چالش ساختگی محسوب میشود که به توسعه بیشتری نیاز دارد. مؤثرترین روش برای کنترل دقیق LCST استفاده از کومونومر است. مونومرهای محلول در آب به انرژی مورد نیاز برای ایجاد اختلال در پیوند H کمک می کند؛ از این رو LCST را به دمای بالاتر منتقل می کند در حالیکه کومونومرهای آبگریز به اثربخشی کاهشی تمایل دارند. برای دستیابی به اختلاط همگن کو مونومرها در سراسر زنجیرۀ پلیمری PNIPAM و کنترل دقیق تغییر LCST و وفاداری کامل مولکولی بایستی کومونومرها با نسبت های واکنش مشابه در حین واکنش های پلیمریزاسیون به دقت انتخاب شوند. یک مثال کلاسیک از تغذیۀ کومونومر شامل استفاده از مونومرهای یونیزه همانند اسید متاکریلیک و دی متیل آمینو اتیل متاکریلات میشود. از آنجا که حلالیت این کومونومرها را میتوان با pka مربوط به خودشان تنظیم کرد، امکان تنظیم دقیق تعادل آبدوست- آبگریزی کوپلیمر نهایی برای نمایش حرارتی کویل به گلوب وجود دارد. این امر در کاربردهای داخلی بدن صدق می کند که میتواند اختلاف زیادی در pH بافت های مختلف و محفظه های داخلی سلولی را مهار کند تا آزادسازی بار مولکولی تحریک شده (برای مثال دارورسانی، اسیدهای نوکلئیک و غیره) را کاملآ وابسته به pH مهار کند. این رویکرد بطور گسترده دامنۀ PNIPAM را توسعه داد زیرا LCST میتواند بعنوان مکانیزم بازخوانی نوری، نشان دهندۀ فعل و انفعالات لیگاند گیرنده و حوادث بیومولکولی، همچنین استراتژی های پیدا و پنهان با استفاده از اصول ساده طراحی کوپلیمر استفاده شود.

جالب توجه است که اثربخشی توپولوژی پلیمر در ترکیب با کومونومرهایی که باعث برهم کنش های هماهنگ با مونومر PNIPAM میشوند (یعنی ازطریق پیوند درون مولکولی H)، اغلب میتواند به نقشهای غیرمنتظرۀ دستکاری LCST منجر شود؛ همانطور که در مجموعه ای از مطالعات توسط ریچترینگ و همکاران بیان شده است. LCST بسیار تحت تأثیر وجود نمک ها در محیط های آبی است که اصطلاحآ مجموعه نمک هافمیستر نامیده شده و به دو دستۀ کاسموتروپ ها و کائوتروپ ها تقسیم میشوند؛ نمک هایی که ساختار مولکول های آب را "ایجادمی کنند " (تثبیت) یا "می شکنند" (بی ثبات) و در اصل، با توجه به ظرفیت شان برای "نمک زدن" (رسوب) پروتئین ها رتبه بندی میشوند. افزودن نمک کاسموتروپ به قطبش مولکول های آب مجاور به واحدهای آمید، افزایش کشش سطحی بخش های آبگریز و درنتیجه سرکوب LCST منجر میشود. به نظر می رسد که کاسموتروپ با اتصال مستقیم یون به بخشهای آمید و حذف لایه هیدراسیون ایزوپروپیل آبگریز و بخش های اساسی بر کشش سطحی اثر می گذارد و در نتیجه، نمک زدن پلیمر ایجاد میشود. در نهایت، عامل دیگری که LCST را تحت تأثیر قرار میدهد، اگرچه کمتر به کاربردهای زیستی مربوط میشود، اصطلاحآ اثر انعطاف پذیری نامیده میشود که کاهش و افزایش LCST در کسرهای حلال متوسط و بالا را تحت تأثیر قرار می دهد.

نتیجه گیری

PNIPAM به دلیل تطبیق پذیری مصنوعی و امکان ترکیب شدن با مونومرهای دیگر برای پاسخ های ایزوترمال اضافی به سایر محرک ها همانند گرادیانت pH، تابش یا تجزیه کننده های موجود میتواند یک پلیمر انتخابی برای برنامه هایی محسوب شود که به مواد پلیمری پاسخگوی محرک نیاز دارد. پلیمرهای دارای پایۀ PNVCL و pOx نیز برای کاربردهای ویژه ای درحال ظهور هستند که تجزیه ناپذیری بعنوان یک پیش شرط محسوب میشود؛ در حالیکه PEGMA ها به دلیل شباهت شان به PEG و ظرفیت شان به راتی میتوانند ازطریق واکنش های پلیمریزاسیون کنترل شده/ زنده یک گزینۀ جذاب باشند. مسلمآ ELP ها به دلیل تجزیه پذیری و ساختار پلی پپتیدی طبیعی شان همچنان درحال رشد بوده و بالاترین پتانسیل برای کاربردهای مستقیم در داخل بدن را دارند. مواد واکنش پذیر T اکنون در حوزه های نیچه فراتر از شیمی پلیمر کلاسیک و علوم موارد پخش شده اند و ابزار آزمایشگاهی بسیار ارزشمندی برای اثبات مفاهیم هستند. در این حوزه انتظار می رود برنامه های کاربردی نه تنها در زمینه زیست پزشکی، بلکه در تجزیه، جداسازی و فناوری های تصفیه و حسگرهای زیستی همچنان ظهور کنند؛ درواقع، اختراعات ثبت شده شامل کلمۀ "پلی ایزوپروپیل اکریلات آمید" هستند که بطور خطی در 10 تا 20 سال گذشته افزایش یافته است و بنابراین بایستی بررسی کرد که آیا این پلیمرهای جذاب در برنامه های خارج از آزمایشگاه هم ادغام میشوند یا خیر. بایستی انتظارات واقع بینانه تری از برنامه های آزمایشگاهی من جمله تشخیص مولکولی، سنجش زیستی و ادغام با دستگاه های میکروسیال داشته باشیم. در نهایت میتوان گفت که یک روند واضح برای توپولوژی و ساختار پلیمری تصفیه شده وجود دارد که از توسعۀ سریع روش های پلیمریزاسیون کنترل شده و پروتکل های مزدوج ناشی میشود؛ که این پیشرفت ها امکان وفاداری مولکولی بی سابقه ای را فراهم کرده است که دستیابی به آن در طی 20 سال گذشته امکان پذیر نبوده است (برای مثال میتوان رویکرد به اصطلاح "پیوند مستقیم از مولکول های پروتئین" را نام برد). چنین دقت ساختگی یک نقطۀ عطف مهم ایجاد می کند که امکان استفادۀ بالقوه از پلیمرهای LCST برای مواد دارویی و پروتکل های تولید خوب را فراهم می کند. شیمی های مقاومتر همچنین منجر به جفت شدن آسانتر پلیمرهای واکنش پذیر T شده اند که آن هم به نوبۀ خود به سنتز مواد واکنش پذیر محرک منجر شده است که درنهایت، به سنتز مواد واکنش پذیر چند محرکه با رفتار پیچیده و غالبآ خواص عجیب منتج شده اند که انتظار داریم در آینده نزدیک توسعه یابند.