سطوح پلیمر گرادیانت در کاربردهای زیست پزشکی
اهمیت بیومتریال در تحقیقات زیست پزشکی بیش از سه دهه شناخته شده است. کاربردهای عملی آنها در زیست پزشکی به پاسخ های فیزیکی و بیولوژیکی مناسب بستگی دارد که در مجموع بعنوان زیست سازگار کاربرد دارند. واکنش بیومتریال در یک محیط بیولوژیکی با خواص سطحی آنها مرتبط است. اصلاح بیومتریال با تیمارهای مختلف سطحی اخیرآ به موضوعی فعال در مهندسی سطح تبدیل شده است. برخی از گروه های تحقیقاتی بر آماده سازی سطوحی با ترکیبات شیمیایی متفاوت بصورت تک بعدی متمرکز شده اند. این "سطح گرادیانت" برای مطالعات اساسی و کاربردی تعاملات بین گونه های بیولوژیکی و سطوح مورد توجه است؛ چرا که میتوان وابستگی یک خواص انتخاب شده مانند رطوبت پذیری، به ترکیب را در یک آزمایش واحد بر روی سطح مورد بررسی قرار داد. بر همین اساس، علاوه بر ارائه آماده سازی و تفسیر سطوح پلیمری گرادیانت، بررسی کلی سازمان دهی شده و دقیقی از آخرین فناوری را بیان می کنیم. ابتدا، آماده سازی سطوح گرادیانت و خواص آنها، سپس تفسیر خواص گروه های زیست عملکردی در سطوح گرادیانت را بررسی می کنیم. در ادامه، برهمکنش های بین این سطوح با گونه های بیولوژیکی مانند سلول ها و پروتئین ها را مورد بحث قرار می دهیم که از اهمیت بالایی در درک علوم پایه برای کاربردهای زیست پزشکی برخوردار هستند.
طی سه دهه گذشته، اهمیت بیومتریال در کاربردهای زیست پزشکی شناخته شده است و برخی از نمونه های تخصصی و تجاری به بازار عرضه شده اند. بیومتریال بعنوان "یا مواد طبیعی موجود در ارگانیسم های زنده و یا مواد طراحی شده در ترمیم بافت انسانی" تعریف شده است. در این زمینه، توسعه بیومتریال مواد سنتز شده از فلزات، سرامیک ها، یا پلیمرها تا مواد بیولوژیکی متغیر است. بطور کلی، بیومتریال تجاری ممکن است دارای خواص فله عالی مانند استحکام و کشش باشند اما اغلب خواص سطحی نسبتآ ضعیفی من جمله مقاومت سایشی پایین و زیست سازگاری محدود دارند. فاکتورهای مهم زیست سازگاری عبارتند از رطوبت پذیری (آب دوستی/ آبگریزی)، شیمی، بار و زبری. به همین دلیل، اصلاح مواد بیولوژیکی با روش تیمار سطحی در طی دهه ها از اهمیت بالایی برخوردار بوده است. بسیاری از گروه های تحقیقاتی بطور گسترده اثرات رطوبت پذیری سطحی بر برهمکنش های گونه های بیولوژیکی با سطوح را مورد مطالعه قرار دادند؛ این برهمکنش ها عمدتآ به پدیده هایی مانند جذب پروتئین، چسبندگی، مربوط می شوند که در یک محیط بیولوژیکی اتفاق می افتد. برهمکنش های پروتئین ها با پلیمرهای رطوبت پذیر بسیار مورد توجه است. یوان و همکارانش جذب آلبومین روی سطوح با رطوبت پذیری بالا را مطالعه کرده و به این نتیجه رسیدند که با آبگریز شدن سطح، میزان پروتئین جذب شده نیز افزایش می یابد؛ در حالی که پروتئین جذب شده همزمان با افزایش آبگریزی سطح، تغییرات تطبیقی زیادی را تجربه می کند. چسبندگی و تکثیر سلول های مختلف پستانداران نیز تحت تأثیر رطوبت پذیری سطح پلیمر قرار دارد؛ چسبندگی سلول عمدتآ روی سطح پلیمر خیس شده در آب رخ می دهد. بایر و همکارانش برخی از ارتباط های بین انرژی بدون سطح و چسبندگی سلول را مشخص کردند: مواد دارای انرژی سطحی پایین نشان دهندۀ چسبندگی سلولی پایین هستند.
علاوه براین، ابسولوم و همکارانش نیز گزارش کردند که فیبروبلاست های انسانی یا سلول های اندوتلیال در سطوح آبگریز ضعیف پخش می شوند اما انتشار گسترده ای در سطوح آبدوست دارند. تمادا و ایکادا به این نتیجه رسیدند که حداکثر چسبندگی فیبروبلاست ها در سطوحی با رطوبت پذیری متوسط رخ می دهد و چسبندگی در سطوحی با رطوبت پذیری هم بالا و هم پایین کاهش می یابد. همچنین واچمن و همکارانش نیز دریافتند که سلول های اندوتلیال انسان بطور قابل توجهی به پلیمرهای مرطوب می چسبند. ازطرفی، جانسون و همکارانش نیز گزارش دادند که فیبروبلاست های انسانی نسبت به سلول های اپیتلیال حساسیت بیشتری به سطح رطوبت پذیر دارند. ون کوتن و همکارانش همچنین قدرت چسبندگی و دی اتچ فیبروبلاست از سطوح رطوبت پذیری مختلف را بررسی کردند. به نظر می رسد سهولت جدا شدن (دی اتچ) با افزایش رطوبت پذیری کاهش می یابد. باتوجه به این نتایج حاصل شده، میتوان این نظریه را تأیید کرد که انرژی سطحی می تواند بر پاسخ سلول به ماهیت سطح تأثیر بگذارد. یکی از مشکلات مهم در ادامه روند مطالعات سطوح پلیمری مختلف این است که سطوح هم ازلحاظ فیزیکی و هم ازلحاظ شیمیایی ناهمگن (شیمی سطح مختلف، بار، زبری، سختی، تبلور و غیره) هستند که ممکن است نتایج تجربی متنوعی به همراه داشته باشد. یکی دیگر از مشکلات متدولوژیکی این است که ارزیابی رفتار گونه های بیولوژیکی روی سطح پلیمر اغلب خسته کننده است، چون که بایستی نمونه های زیادی آماده شود تا محدوده متغیر مورد نظر مانند رطوبت پذیری را پوشش دهد؛ اگرچه این روش از نظر متدولوژیکی بسیار ریسک پذیر است. اخیرآ بسیاری از مطالعات بر آماده سازی سطوح همراه با ترکیب شیمیایی متفاوت بصورت تک بعدی متمرکز شده است. در این "سطوح گرادیانت" ترکیب شیمیایی متغیر بطور تدریجی روی سطح گرادیانت هایی را در رطوبت پذیری، ضخامت، ثبات الکتریکی و یا دیگر خواص فیزیکوشیمیایی ایجاد می کند. این بسترهای ایجاد شده دارای کاربردهایی من جمله جذب انتخاب شده، الگوی گرادیانت، حرکت کنترل شدۀ قطرات مایع، شکل گیری الگوها بعنوان الگوهایی برای پردازش بیشتر (برای مثال پلیمریزاسیون سطحی)، دسته بندی ذرات و دیگر موارد هستند. علاوه بر این کاربردها، چنین سطوح گرادیانتی برای مطالعۀ برهمکنش های بین گونه های بیولوژیکی و سطوح نیز کاربرد دارند؛ زیرا اثربخشی خواص انتخاب شده همچون رطوبت پذیری میتواند در یک آزمایش واحد روی سطح مورد بررسی قرار گیرد. برخی از گروه ها آماده سازی سطوح گرادیانت رطوبت پذیری و کاربرد آنها در بررسی برهمکنش گونه های بیولوژیکی مانند پروتئین ها، سلولها و آنزیم ها گزارش دادند.
در این مطالعه، پیشرفت های اخیر در زمینه آماده سازی و استفاده از سطوح گرادیانت، اساسآ در پلیمرها را بیان می کنیم. همچنین آماده سازی سطوح گرادیانت پلیمر را با روش های تخلیه پلاسما و تخلیه کرونا مورد بحث قرار دادیم. بسیاری از گروه ها آماده سازی را ازطریق تکنیک های جذب و واکنش شیمیایی را گزارش کردند. در گروه عملکردی خاص، سطوح پلیمری یا گرادیانت بار را میتوان با استفاده از روش های تخلیه پلاسما یا کرونا و واکنش های پیوند متوالی ایجاد کرد اطلاعات مفیدی در رابطه با برهمکنش بیولوژیکی نسبت به شیمی سطح، بار مثبت یا منفی را به ما می دهد. همچنین گرادیانت ها می توانند در بررسی سیستماتیک گونه های مختلف بیولوژیکی و فعل و انفعالات پلیمری از لحاظ رطوبت پذیری سطح پلیمر استفاده شوند. در بسیاری از مطالعات، محل گرادیانت بایستی مشخص شود که در آن تعداد پروتئین ها و سلول های چسبنده و همچنین میزان گسترش آنها بالا است؛ برای مثال معمولآ در زاویه تماس آب با نقطۀ آبگریز. مزیت اصلی استفاده از سطوح گرادیانت بعنوان ابزاری برای مطالعۀ جذب/ دفع پروتئین و چسبندگی/ دی اتچ سلولی در سطوح پلیمر این است که رطوبت پذیری بطور اثربخشی همزمان در یک سطح بررسی می شود. همچنین معتقدیم که این روش در تحلیل گونه های بیولوژیکی عملکردی در یک آزمایش واحد روی سطح گرادیانت بسیار ارزشمند خواهد بود زیرا استفاده از یک سطح پلیمری با گرادیانت طراحی شده بطور تجربی بسیار ساده تر از استفاده از مجموع سطوح مختلف در شرایط مختلف است. در آینده، سطوح گرادیانت نه تنها بعنوان مدل هایی برای شناخت مولکولی و برهمکنش ها در سیستم های بیولوژیکی و همچنین برای تحرک سلولی کاربرد بالقوه دارند؛ بلکه در برنامه های دیگری همچون جداسازی سلول ها، سیستم های انتقال دارو و حسگرها در بیوتکنولوژی دخیل هستند.
