التطبيقات الطبية الحيوية للبوليمرات الذكية

محاكاة التحفيز لاستجابة البوليمرات الطبيعية علم العلماء الذين يدرسون البوليمرات الطبيعية الموجودة في الكائنات الحية ( البروتينات والكربوهيدرات والأحماض النووية ) كيف يتصرفون في البيولوجيا لأنهم يؤدون أدوارهم الهيكلية والفسيولوجية. يتم وضع هذه المعلومات لاستخدامها لتطوير المواد البوليمرية من صنع الإنسان مماثلة مع خصائص محددة والقدرة على الرد على التغييرات

في بيئتهم.

هذه البوليمرات الاصطناعية هي مفيدة جدا لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك بعض المتعلقة بالتكنولوجيا الحيوية والطب الحيوي. أصبحت البوليمرات الذكية أكثر انتشارا بشكل متزايد حيث يتعلم العلماء عن الكيمياء والعوامل التي تحفز التغيرات التوافقية في هياكل البوليمر وتضع طرقا للاستفادة منها والتحكم فيها. ويجري صياغة مواد بوليمرية جديدة كيميائيا تعبر عن تغيرات بيئية محددة في النظم البيولوجية وتعديل بطريقة يمكن التنبؤ بها

مما يجعلها أدوات مفيدة لتسليم العقاقير أو آليات التحكم الأيضية الأخرى.

--2>> استجابة غير الخطية من البوليمرات الذكية هو ما يجعلها فريدة جدا وفعالة. تغيير كبير في الهيكل والخصائص يمكن أن يسببها تحفيز صغير جدا

. وبمجرد حدوث هذا التغيير، لا يوجد أي تغيير آخر، وهذا يعني حدوث استجابة كل شيء أو لا شيء يمكن التنبؤ بها، مع التوحيد الكامل في جميع أنحاء البوليمر.

البوليمرات الذكية قد تغير التشكل، اللاصقة أو خصائص الاحتفاظ بالمياه، بسبب تغييرات طفيفة في درجة الحموضة، قوة الأيونية، درجة الحرارة أو غيرها من المشغلات.

عامل آخر في فعالية البوليمرات الذكية يكمن في الطبيعة المتأصلة للبوليمرات بشكل عام. قوة استجابة كل جزيء للتغيرات في المحفزات هو مركب من التغيرات في وحدات مونومر الفردية التي، وحدها، سيكون ضعيفا. ومع ذلك، فإن هذه الردود الضعيفة، التي تفاقم مئات أو آلاف المرات

، تخلق قوة كبيرة لقيادة العمليات البيولوجية.

التصنيف والكيمياء حاليا، الاستخدام الأكثر انتشارا للبوليمرات الذكية في الطب الحيوي هو تستهدف على وجه التحديد تسليم المخدرات . منذ ظهور المستحضرات الصيدلانية الموقوتة ، واجه العلماء مشكلة إيجاد طرق لتوصيل الأدوية إلى موقع معين في الجسم دون أن يكون لديهم أول تحلل

في الحمضية العالية بيئة المعدة. الوقاية من الآثار الضارة على العظام والأنسجة السليمة هو أيضا الاعتبار المهم. وقد ابتكر الباحثون طرقا لاستخدام البوليمرات الذكية للسيطرة على الإفراج عن الأدوية حتى وصل نظام التسليم إلى الهدف المنشود. يتم التحكم في هذا الإصدار إما عن طريق الزناد الكيميائية أو الفسيولوجية. الخطي والمصفوفة

البوليمرات الذكية موجودة مع مجموعة متنوعة من الخصائص اعتمادا على المجموعات الوظيفية التفاعلية وسلاسل جانبية. هذه المجموعات قد تكون استجابة لدرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والقوة الأيونية، والمجالات الكهربائية أو المغناطيسية، والضوء. بعض البوليمرات يمكن ربطها عكسيا عن طريق السندات غير المتكافئة التي يمكن كسر وإصلاح اعتمادا على الظروف الخارجية. وكانت التكنولوجيا النانوية أساسية في تطوير بوليمرات جسيمات متناهية الصغر معينة مثل دندريمرز و فوليرينس التي تم تطبيقها على تسليم المخدرات.

وقد تم تغليف المخدرات التقليدية باستخدام البوليمرات حمض اللاكتيك. وقد شهدت التطورات الأخيرة تشكيل المصفوفات مثل شعرية التي تحمل الدواء من الفائدة متكاملة أو محاصر بين خيوط البوليمر.

مصفوفات البوليمر الذكية تطلق الأدوية عن طريق تفاعل كيميائي أو فسيولوجي تغيير الهيكل، وغالبا ما يكون رد فعل التحلل المائي مما يؤدي إلى انشقاق السندات وإطلاق المخدرات كما تنقسم المصفوفة إلى مكونات قابلة للتحلل. وقد أعطى استخدام البوليمرات الطبيعية الطريق لتوليف البوليمرات المصطنعة مثل بوليانيدريدس، بوليستر، أحماض بولي أكريليك، بولي (ميثيل ميثاكريلات)، وبولي يوريثان. وقد تبين أن البوليمرات المائية غير المتبلرة والمنخفضة الوزن الجزيئي التي تحتوي على هيتيرواتومز (ط، ذرات أخرى غير الكربون) تتحلل بسرعة. العلماء السيطرة على معدل تسليم المخدرات عن طريق تغيير هذه الخصائص وبالتالي ضبط معدل التدهور. الكسب غير المشروع والكتلة

تتكون البوليمرات من بوليمرين مختلفين مطعمة معا. وهناك عدد من براءات الاختراع موجودة بالفعل لمجموعات مختلفة من البوليمرات مع مجموعات رد الفعل المختلفة. يعرض المنتج خصائص كل من المكونات الفردية التي تضيف بعدا جديدا لبنية البوليمر الذكية وقد تكون مفيدة لبعض التطبيقات. يؤدي الربط بين البوليمرات المسعور والمائي إلى تشكيل هياكل تشبه الميكيلات التي يمكن أن تساعد بشكل حتمي على توصيل الدواء من خلال الوسط المائي حتى تسبب الظروف في الموقع المستهدف انهيارا متزامنا لكل من البوليمرات.

قد يكون نهج الكسب غير المشروع والكتلة مفيدا لحل المشاكل التي يواجهها استخدام البوليمر الحيوي الحيوي المشترك، حمض بولي أكريليك (باك). باك تلتصق الأسطح المخاطية ولكن سوف تنتفخ وتحلل بسرعة في درجة الحموضة 7. 4، مما أدى إلى الإفراج السريع عن المخدرات محصنة في مصفوفة لها. مزيج من باك مع البوليمر آخر أقل حساسية للتغيرات في درجة الحموضة محايد قد يزيد من وقت الإقامة وإبطاء الإفراج عن المخدرات، وبالتالي تحسين التوافر البيولوجي والفعالية. الهلاميات المائية هي شبكات البوليمر التي لا تذوب في الماء ولكن تنتفخ أو تنهار

في تغيير البيئات المائية. وهي مفيدة في التكنولوجيا الحيوية لفصل الطور لأنها قابلة لإعادة الاستخدام أو قابلة لإعادة التدوير. ويجري التحقيق في طرق جديدة للتحكم في التدفق، أو صيد المركبات المستهدفة وإطلاقها في الهلاميات المائية. وقد وضعت الهلاميات المائية عالية التخصص لتسليم وإطلاق المخدرات في أنسجة محددة.

الهلاميات المائية المصنوعة من باك هي شائعة بشكل خاص بسبب خصائصها الحيوية الحيوية وامتصاصية هائلة.

إنزيم تجميد في الهلاميات المائية هي عملية راسخة إلى حد ما. ويمكن أيضا استخدام شبكات البوليمر ذات الارتباط المتقاطع و الهلاميات المائية على نحو مماثل في نظام بيولوجي حيث يتم تشغيل الاستجابة و الافراج عن الدواء من قبل الجزيء المستهدف نفسه.

بدلا من ذلك، قد يتم تشغيل الاستجابة أو إيقاف تشغيلها بواسطة ناتج تفاعل انزيم. وغالبا ما يتم ذلك عن طريق دمج انزيم، مستقبلات أو الأجسام المضادة، التي تربط جزيء الفائدة، في هيدروجيل. مرة واحدة ملزمة، تفاعل كيميائي يحدث أن يؤدي إلى رد فعل من هيدروجيل. يمكن أن يكون الزناد الأكسجين، مستشعر باستخدام الانزيمات أوكسيدوريدوكتاس، أو استجابة الاستشعار الرقم الهيدروجيني. مثال على هذا الأخير هو الجمع بين انحباس أوكسيديز الجلوكوز والأنسولين في هيدروجيل استجابة الحموضة. في وجود الجلوكوز، وتشكيل حمض الغلوكونيك من قبل الانزيمات يطلق الإفراج عن الأنسولين من هيدروجيل. معياران لهذه التقنية للعمل بفعالية إنزيم الاستقرار و حركية سريعة

(استجابة سريعة على الزناد والانتعاش بعد إزالة الزناد). وقد تم اختبار العديد من الاستراتيجيات في أبحاث مرض السكري من النوع 1، والتي تنطوي على استخدام أنواع مماثلة من البوليمرات الذكية التي يمكن الكشف عن التغيرات في مستويات السكر في الدم وإطلاق الزناد أو إطلاق الأنسولين. وبالمثل، هناك العديد من التطبيقات الممكنة من الهلاميات المائية مماثلة كعملاء تسليم المخدرات لظروف وأمراض أخرى. البوليمرات الذكية ليست فقط لتسليم المخدرات. خصائصها تجعلها مناسبة خاصة ل بيوسيباراتيونس

يمكن تقليل الوقت والتكاليف المتضمنة في تنقية البروتينات بشكل كبير باستخدام البوليمرات الذكية التي تخضع للتغيرات السريعة عكسها استجابة للتغير في الخصائص المتوسطة. وقد استخدمت أنظمة متقاربة لسنوات عديدة في الفواصل الجسدية وألفة تقارب والمناعية. وتتجلى التغيرات المجهرية في هيكل البوليمر كما تشكيل راسب، والتي يمكن استخدامها للمساعدة في فصل البروتينات المحاصرين من الحل.

تعمل هذه الأنظمة عندما يكون البروتين أو جزيء آخر يتم فصله عن المزيج، يشكل بيوكونجوغات مع البوليمر ويرسب مع البوليمر عندما تتعرض بيئته للتغيير. تتم إزالة راسب من وسائل الإعلام، وبالتالي فصل المكون المطلوب من المرافقة من بقية الخليط. إزالة هذا المكون من اقتران يعتمد على استعادة البوليمر والعودة إلى حالتها الأصلية، وبالتالي الهلاميات المائية هي مفيدة جدا لهذه العمليات.

هناك طريقة أخرى للتحكم في التفاعلات البيولوجية باستخدام البوليمرات الذكية وهي تحضير البروتينات المؤتلفة مع مواقع ربط بوليمرية مدمجة قريبة من مواقع الربط أو خلية الربط. وقد استخدمت هذه التقنية للسيطرة على يجند وربط الخلية النشاط، استنادا إلى مجموعة متنوعة من المشغلات بما في ذلك درجة الحرارة والضوء.

تطبيقات مستقبلية اقترح أن يتم تطوير البوليمرات التي يمكن أن تعلم والسلوك الذاتي الصحيح

مع مرور الوقت.على الرغم من أن هذا قد يكون احتمالا بعيد المنال، وهناك تطبيقات أخرى أكثر جدوى التي يبدو أنها تأتي في المستقبل القريب. واحدة من هذه هي فكرة المراحيض الذكية التي تحليل البول والمساعدة في تحديد المشاكل الصحية. وفي مجال التكنولوجيا الحيوية البيئية، اقترحت أيضا نظم الري الذكية. سيكون من المفيد بشكل لا يصدق أن يكون نظام تشغيل وإيقاف، والسيطرة على تركيزات الأسمدة، استنادا إلى رطوبة التربة، ودرجة الحموضة ومستويات المغذيات. كما يجري التحقيق في العديد من النهج الإبداعية لنظم إيصال الأدوية المستهدفة التي تنظم نفسها على أساس محيطها الخلوي الفريد.

_{هناك مشاكل محتملة واضحة مرتبطة باستخدام البوليمرات الذكية في الطب الحيوي. والأكثر إثارة للقلق هو إمكانية سمية أو عدم توافق المواد الاصطناعية في الجسم، بما في ذلك منتجات التحلل والمنتجات الثانوية. ومع ذلك، البوليمرات الذكية لديها إمكانات هائلة في التكنولوجيا الحيوية والتطبيقات الطبية الحيوية إذا كان يمكن التغلب على هذه العقبات.}

المصادر

يوك ش إت آل. درجة الحموضة / درجة الحرارة تستجيب البوليمر تتألف من بولي - ((N، N- ثنائي ميثيلامينو) إيثيل ميثانكريلات المشارك إيثيل أكريلاميد). جزيئات ضخمة 30 (22) 1997: 6856-6859.

باتيل نف. البوليمرات الذكية في مستقبل التكنولوجيا الحيوية. بيوبروسيس إنترناشونال 4 (8) 2006: 42-46.

ستايتون بس، دينغ Z، هوفمان أس. الذكية البوليمر ستريبتافيدين يقارن. طرق مول. بيول. 283 2004: 37-44.

فارشوساز J. الأنسولين أنظمة التسليم للسيطرة على مرض السكري. براءات الاختراع الأخيرة على الغدد الصماء، الأيض والمناعي اكتشاف المخدرات. 1 2007: 25-40.