موضوع مقاله: پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر | مقدمه: این پلیمرها به صورت طبیعی و مصنوعی ساخته شده‌اند و عمدتاً از گروه‌های عملکردی استر، آمید و اتر تشکیل شده‌اند. | ## بخش 1: پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر | این پلیمرها غالباً با واکنشهای تراکم، پلیمریزاسیون حلقه باز و کاتالیزورهای فلزی سنتز می‌شوند. مواد بسته‌بندی ساخته شده از مواد زیست محیطی در دهه‌های گذشته به عنوان جایگزین سبز معرفی شده‌اند که در این میان فیلم‌های خوراکی به دلیل ویژگی‌های سازگار با محیط زیست، تنوع گسترده و در دسترس بودن، سمی نبودن و کم هزینه بودن توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. تاریخچه پلیمرهای تخریب پذیر دارای سابقه طولانی است، و از آنجا که بسیاری از آنها محصولات طبیعی هستند، به جدول زمانی دقیق از کشف و استفاده از آنها نمی‌توان دست یافت. یکی از اولین کاربردهای دارویی یک پلیمر تخریب پذیر بخیه گربه بود که قدمت آن به حداقل ۱۰۰ سال پیش از میلاد مسیح بازمی‌گردد. اولین بخیه‌های گربه از روده‌های گوسفند ساخته شد، اما بخیه‌های مدرن گربه از کلاژن خالص استخراج شده از روده‌های کوچک گاو، گوسفند یا بز تهیه می‌شود. در سال ۱۹۹۲، یک نشست بین‌المللی برگزار شد که در آن رهبران پلیمرهای زیست تخریب پذیر برای گفتگو دربارهٔ یک تعریف، استاندارد و پروتکل آزمایشی پلیمرهای تخریب پذیر با یکدیگر ملاقات کردند. همچنین، سازمان‌های نظارتی مانند انجمن آمریکایی برای آزمایش مواد (ASTM) و سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) تأسیس شدند. فروشگاه‌های بزرگ زنجیره ای البسه و مواد غذایی در اواخر سال ۲۰۱۰ میلادی به استفاده از کیسه‌های زیست تخریب پذیر ملزم شدند. پلیمرهای زیست تخریب پذیر همچنین در سال ۲۰۱۲ هنگامی که پروفسور جفری کوتس از دانشگاه کورنل جایزه شیمی سبز ریاست جمهوری را دریافت کرد، در زمینه‌های مختلف نظرها را جلب کرد. از سال ۲۰۱۳، ۵–۱۰٪ از بازار پلاستیک متمرکز بر پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر مشتق شده از پلیمر بود. در حالی که پلیمرهای تخریب پذیر بیشماری، چه مصنوعی و چه طبیعی وجود دارد، اما مشترکات کمی بین آنها وجود دارد. به‌طور کلی، پلیمرهای زیست تخریب پذیر بر اساس ساختار و سنتز آنها می‌توانند به دو گروه بزرگ تقسیم شوند. گروه دیگر از بیوپلیسترها تشکیل شده‌است که از میکروارگانیسم‌ها یا به‌طور مصنوعی از مونومرهای طبیعی یا مصنوعی ساخته شده‌اند. پلی ساکاریدها از پیوندهای گلیکوزییدی تشکیل شده‌اند که یک نیمکره ساکارید را به خود اختصاص داده و با از دست دادن آب آن را به یک الکل متصل می‌کنند. پروتئین‌ها از اسیدهای آمینه ساخته شده‌اند، که شامل گروه‌های مختلف عملکردی هستند. این اسیدهای آمینه دوباره از طریق واکنشهای چگالشی به هم می‌رسند تا پیوندهای پپتیدی تشکیل شوند، که از گروه‌های عملکردی آمید تشکیل شده‌است. خواص علیرغم اینکه پلیمرهای تخریب پذیر کاربردهای بیشماری دارند، خواصی وجود دارد که تمایل دارند در بین آنها مشترک باشند. تمام پلیمرهای تخریب پذیر باید پایدار و با دوام کافی برای استفاده در کاربرد خاص خود باشند، اما پس از دفع به راحتی باید تجزیه شوند. پلیمرها، به‌طور خاص پلیمرهای تخریب پذیر، دارای ستون فقرات کربن بسیار قوی هستند که شکستن آنها دشوار است، به گونه ای که تخریب اغلب از گروه‌های انتهایی شروع می‌شود. از آنجا که تخریب در انتها شروع می‌شود، یک منطقه با سطح بالا متداول است زیرا دسترسی آسان به مواد شیمیایی، سبک یا موجودات بدن را آسان می‌کند. درجه پایین پلیمریزاسیون، به‌طور معمول، همان‌طور که در بالا اشاره شد، مشاهده می‌شود، زیرا انجام این کار گروه‌های انتهایی قابل دستیابی بیشتری را را برای واکنش با آغازگر تخریب امکان‌پذیر می‌کند. پلیمرهای آبگریز و گروه‌های انتهایی در صورتیکه آنزیم محلول در آب نتواند به راحتی با پلیمر در تماس باشد از تعامل آنزیم جلوگیری می‌کنند. خواص دیگر پلیمرهای تخریب پذیر که برای مصارف دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: غیر سمی قادر به حفظ استحکام مکانیکی مناسب تا زمانی که تخریب شود قادر به کنترل نرخ تخریب هدف استخراج پاسخ ایمن نیست و محصولات تخریب نیز لازم نیست که سمی باشند. اینها به عنوان پلیمرهای تخریب پذیر حائز اهمیت برای دارورسانی می‌باشند جایی که ضروری است دارو به آرامی و با گذشت زمان منتشر شود و قرص در بطری تا زمان آماده شدن برای استفاده پایدار باشد. نرخ تخریب بستگی به محل موجود در بدن دارد، که محیط پیرامون پلیمر مانند pH، غلظت آنزیم‌ها و میزان آب را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سنتز یکی از مهمترین و مورد مطالعه‌ترین گروه‌های پلیمرهای تخریب پذیر، پلی استرها هستند. پلی استرها می‌توانند به چندین روش از جمله تراکم مستقیم الکلها و اسیدها، پلیمریزاسیون حلقه باز (ROP) و واکنشهای پلیمریزاسیون فلزی کاتالیز سنتز شوند. یک نقطه ضعف بزرگ پلیمریزاسیون گام به گام از طریق تراکم یک اسید و الکل، نیاز به خارج کردن مداوم آب از این سیستم به منظور حرکت تعادل واکنش به جلو است. این می‌تواند شرایط واکنش شدید و زمان طولانی واکنش را ضروری کند، و در نتیجه پراکندگی گسترده‌ای ایجاد کند. طیف گسترده‌ای از مواد اولیه می‌تواند برای سنتز پلی استرها مورد استفاده قرار گیرد و هر نوع مونومر زنجیره پلیمر نهایی را با خصوصیات مختلف به خود اختصاص می‌دهد. ROP گلیکولیک یا اسید لاکتیک دایمر حلقوی اسیدهای α-هیدروکسی را تشکیل می‌دهد که سپس به پلی «α-استرها» تبدیل می‌شوند. برای شروع پلیمریزاسیون پلی استرها از جمله مجتمع‌های قلع، روی و آلومینیوم می‌توان از انواع مختلفی از آغازگرهای ارگانومتری استفاده کرد. رایج‌ترین آن اکتانوئید قلع (II) است و توسط FDA ایالات متحده به عنوان یک ماده افزودنی غذایی تأیید شده‌است، اما هنوز نگرانی‌هایی در مورد استفاده از کاتالیزور قلع در سنتز پلیمرهای تخریب پذیر برای مصارف زیست پزشکی وجود دارد. سنتز پلی (β- استرها) و پلی (γ-استرها) را می‌توان با روشهای مشابه ROP یا تراکم مانند با پلی (γ-استرها) انجام داد. توسعه فرایند عاری از فلز که شامل استفاده از کاتالیز باکتریایی یا آنزیمی در تشکیل پلی استر است نیز مورد بررسی قرار گرفته‌است. | ## بخش 2: پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر | این واکنشها از این مزیت برخوردار هستند که معمولاً از نظر انتخابی و کلیشه ای مورد استفاده قرار می‌گیرند اما از گرانی باکتریها و آنزیم‌ها، زمان طولانی واکنش و محصولاتی با وزن مولکولی پایین رنج می‌برند. الف) تراکم اسید لاکتیک به لاکتید دیمریک و به دنبال آن پلیمریزاسیون حلقه باز به شکل پلی (اسید لاکتیک). ب) چگالش مستقیم اسید لاکتیک، نشانگر لزوم خارج کردن مداوم آب از سیستم به منظور حرکت واکنش به جلو. در حالی که پلی استرها بر تحقیق و تمرکز صنعتی بر پلیمرهای تخریب پذیر مصنوعی تسلط دارند، سایر کلاسهای پلیمرها نیز مورد توجه هستند. Polyanhydrides یک حوزه فعال برای تحقیق در زمینه تحویل دارو است زیرا آنها فقط از سطح تخریب می‌شوند و بنابراین می‌توانند دارویی را که با خود حمل می‌کنند با سرعت ثابت منتشر کنند. پلی ییدیدها می‌توانند از طریق روشهای متنوعی که در سنتز سایر پلیمرها نیز استفاده می‌شود، از جمله چگالش، دهیدروکلرینگ، اتصال جوی کم‌آبی و ROP ساخته شوند. در ابتدا پلی یورتان‌ها به دلیل سازگاری زیست محیطی، دوام، انعطاف‌پذیری آنها مورد استفاده قرار گرفتند، اما اخیراً به دلیل تجزیه پذیری زیستپذیری آنها مورد بررسی قرار می‌گیرند. پلی اورتان‌ها به‌طور معمول با استفاده از دییزوسیانات، دیول، و یک زنجیره پلیمر سنتز می‌شوند. واکنش اولیه بین دییزوسیانات و دیول و دییزوسیانات بیش از حد انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که انتهای زنجیره پلیمر جدید گروه‌های ایزوسیانات هستند. سپس این پلیمر می‌تواند با دیول یا دی آمین واکنش نشان دهد تا به ترتیب گروه‌های انتهای اورتان یا اورتان و اوره تشکیل شود. علاوه بر این، استفاده از روغن نباتی و زیست توده در تشکیل پلی اورتان‌ها یک حوزهٔ فعال تحقیقاتی است. برای پوشاندن این پلیمر، می‌توان به زنجیره‌های دی الی یا دی آمین‌ها افزوده شد تا خصوصیات آن را تنظیم کنند. با افزودن پرکننده‌ها یا پلیمرهای دیگر می‌توان خواص مکانیکی پلیمرهای تخریب پذیر را برای ساختن یک کامپوزیت، مخلوط یا کوپلیمر افزایش داد. بعضی از پرکننده‌ها علاوه بر نانو رس، تقویت کننده فیبرهای طبیعی مانند نانو فیبرهای ابریشمی، بامبو، جوت، و نانولوله‌های کربنی به عنوان گزینه‌های دیگر هستند. هر یک از این پیشرفت‌ها دارای خاصیت منحصر به فردی هستند که نه تنها مقاومت را بهبود می‌بخشد بلکه قابلیت پردازش را نیز از طریق مقاومت در برابر رطوبت، کاهش نفوذپذیری بنزین و حافظه و بازیابی را بهبود می‌بخشد. مکانیسم تجزیه به‌طور کلی، پلیمرهای تخریب پذیر تجزیه می‌شوند تا گازها، نمکها و زیست توده تشکیل دهند. تجزیه بیولوژیکی کامل زمانی رخ می‌دهد که هیچ الیگومر یا مونومری باقی نمانده باشد. تجزیه این پلیمرها به انواع مختلفی از عوامل از جمله پلیمر و همچنین، محیطی که پلیمر در آن قرار دارد بستگی دارد. خواص پلیمر که بر تخریب تاثیرگذارند عبارت است از: باند نوع، حلالیت، و کوپلیمرهای میان دیگران. این عوامل که شامل مواردی مانند pH، دما، میکروارگانیسم‌های موجود و آب می‌شوند، فقط چند نمونه است. یکی از طریق تجزیه فیزیکی از طریق واکنش‌هایی مانند هیدرولیز و تجزیه نوری، که می‌تواند به تخریب جزئی یا کامل منجر شود. مسیر مکانیکی دوم از طریق فرآیندهای بیولوژیکی است که می‌تواند به فرآیندهای هوازی و بی هوازی تقسیم شود. در این حالت، معادله کلی که در زیر مشاهده می‌شود که باقی مانده C نمایانگر قطعات کوچکتر از پلیمر اولیه مانند الیگومرها است. همچنین پلیمرهای مصنوعی نیز وجود دارند که فقط صد سال است که دارای ویژگی‌های جدید هستند که میکروارگانیسم‌ها قابلیت تجزیه ندارند. میلیون‌ها سال طول خواهد کشید تا ارگانیسم‌ها بتوانند با تخریب همهٔ این پلیمرهای مصنوعی جدید سازگار شوند. به‌طور معمول، پس از انجام فرآیندهای فیزیکی تجزیه اولیه پلیمر، میکروارگانیسم‌ها آنچه را که مانده‌است می‌گیرند و اجزا را حتی به واحدهای ساده‌تر تجزیه می‌کنند. این میکروارگانیسم‌ها به‌طور معمول قطعات پلیمر، مانند الیگومرها یا مونومرها را در سلول می‌گیرند جایی که آنزیم‌ها برای ساختن آدنوزین تری فسفات (ATP) و محصولات نهایی پلیمر، دی‌اکسید کربن، گاز نیتروژن، متان، آب، مواد معدنی و زیست توده کار می‌کنند. این آنزیم‌ها به روش‌های مختلفی برای تجزیه پلیمرها از جمله اکسیداسیون یا هیدرولیز عمل می‌کنند. نمونه‌هایی از آنزیم‌های کلیدی شامل پروتئازها، استرازها، گلیکوزییدازها و پراکسیدازهای منگنز هستند. کاربردها و موارد استفاده پلیمرهای زیست تخریب پذیر مورد توجه بسیاری از زمینه‌ها از جمله دارو، کشاورزی و بسته‌بندی قرار گرفته‌است. یکی از فعال‌ترین زمینه‌های تحقیق در پلیمر تخریب پذیر در تحویل و ترشح داروی کنترل شده‌است. پزشکی پلیمرهای تخریب پذیر دارای کاربردهای بی شماری در زمینه زیست پزشکی بخصوص در زمینه‌های مهندسی بافت و تحویل دارو هستند. برای استفاده از یک پلیمر تخریب پذیر به عنوان یک درمان، باید چندین معیار را رعایت کند: ۱) به منظور از بین بردن پاسخ خارجی بدن غیر سمی باشد. ۴) مواد باید به راحتی پردازش شوند تا بتوانند خصوصیات مکانیکی را برای کار مورد نیاز خود تنظیم کنند. فواید بسیار مهم سیستم تحویل داروی تجزیه پذیر، توانایی حمل کننده دارو برای هدف قرار دادن ترشح بارگذاری خود به یک مکان خاص در بدن و سپس تجزیه به مواد غیر سمی است که از طریق مسیرهای متابولیکی طبیعی از بدن حذف می شوند. | ## بخش 3: پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر | این پلیمر به آرامی به قطعات کوچکتر تجزیه می‌شود و محصول طبیعی را آزاد می‌کند و توانایی ترشح کنترل شده دارو وجود دارد. به عنوان مثال، اسید پلیلاکتیک، پلی (لاکتیک- کولیکولی) اسید، و پلی (کاپرولاکتون)، که همه تجزیه تخریب پذیر هستند، برای حمل داروهای ضد سرطان استفاده شده‌است. کپسول درمانی در پلیمر و افزودن عوامل هدفمند باعث کاهش سمی بودن دارو برای سلولهای سالم می‌شود. پلیمرهای زیست تخریب پذیر و مواد بیولوژیکی نیز برای مهندسی بافت و بازسازی از اهمیت قابل توجهی برخوردار هستند. کمال چنین سیستم‌هایی می‌تواند برای رشد بافتها و سلولها در شرایط آزمایشگاهی یا استفاده از داربست تخریب پذیر برای ساخت ساختارها و اندامهای جدید در شرایط آزمایشگاهی استفاده شود. برای این کاربردها، یک داربست تخریب پذیر حتماً ترجیح داده می‌شود زیرا خطر واکنش ایمنی و دفع جسم خارجی را کاهش می‌دهد. در حالی که بسیاری از سیستمهای پیشرفته تر برای درمان‌های انسانی آماده نیستند، اما در مطالعات حیوانی تحقیقات مثبت قابل توجهی وجود دارد. به عنوان مثال، می‌توان با موفقیت بافت ماهیچه صاف موش را روی داربست پلی کاپرولاکتون / پلیلاکتید رشد داد. تحقیقات و توسعه بیشتر ممکن است این فناوری را برای استفاده در جایگزینی بافت، پشتیبانی یا تقویت در انسان ایجاد کند. یکی از اهداف نهایی مهندسی بافت ایجاد ارگان‌هایی مانند کلیه از ترکیبات اساسی است. داربست لازم است تا بتواند موجودیت را به یک ارگان عملکرد تبدیل کند، پس از آن داربست پلیمری تخریب شده و با خیال راحت از بدن خارج می‌شود. گزارش‌هایی در مورد استفاده از اسید پلی گلیکولیک و پلیلاکتیک اسید برای مهندسی بافت عروقی برای ترمیم قلب وجود دارد داربست را می‌توان برای ایجاد شریان‌ها و عروق آسیب دیده استفاده کرد. علاوه بر مهندسی بافت، از پلیمرهای تخریب پذیر در کاربردهای ارتوپدی مانند تعویض استخوان و مفصل استفاده می‌شود. طیف گسترده‌ای از پلیمرهای غیر تخریب پذیر برای کاربردهای ارتوپدی شامل لاستیک سیلیکون، پلی اتیلن، رزین‌های اکریلیک، پلی اورتان، پلی پروپیلن و پلی متیل متاکریلات استفاده شده‌است. نقش اصلی بسیاری از این پلیمرها عمل به عنوان سیمان زیست سازگار در تثبیت پروتزها و جایگزینی اتصالات بود. پلیمرهای جدید زیست تخریب پذیر مصنوعی و طبیعی سازگار با بیولوژیکی توسعه یافته‌اند. اینها شامل پلی گلیکولید، پلیلاکتید، پلی هیدروکسی بوتییرات، کیتوزان، اسید هیالورونیک و هیدروژل‌ها می باشد. به‌طور خاص، از پلی (۲-هیدروکسی اتیل متاکریلات)، پلی (اتیلن گلیکول)، کیتوزان و اسید هیالورونیک بطور گسترده در ترمیم غضروف، رباط‌ها و تاندون‌ها استفاده شده‌است. PLA یک پلیمر تخریب کننده آهسته است و برای تخریب و جذب بدن نیاز به مدت زمانی بیشتر از دو سال دارد. همچنین تلاش قابل توجهی برای جایگزینی مواد حاصل از پتروشیمی با مواد ساخته شده از اجزای زیست تخریب پذیر انجام شده‌است. تولید PLA دارای چندین مزیت است که مهمترین آنها توانایی خیاطی از خواص فیزیکی پلیمر از طریق روش‌های پردازش است. کاربردی برای این ماده سازگار و زیست محیطی تأیید شده برای هر نوع فیلم پلاستیکی مانند کیسه‌های خرید یا کیسه‌های زباله‌های آلی است. ecovio® را می‌توان در سایر کاربردها نیز استفاده کرد، مانند مقالات ساخته شده از گرمانرم و تزریق. حتی محصولات کاغذ روغنی یا کف‌های کف را می‌توان توسط این بیوپلیمر بسیار متنوع تولید کرد. بسیاری از این پلاستیک‌ها در محل‌های دفن زباله برای سال‌ها باقی می‌مانند و در بستر محیط زیست خطرات بهداشتی قابل توجهی برای حیوانات به وجود می‌آورند؛ با این حال، زندگی معمولی انسان بدون آنها غیر عملی است (به برنامه‌ها مراجعه کنید). دکتر جفری کوتس برای ایجاد کاتالیزورهایی که قادر به ایجاد مؤثر این پلیمرهای تخریب پذیر نیستند، تحقیقاتی را انجام داد، اما این پلیمرها همچنین از گازهای گلخانه ای و مشارکت کننده گرمایش جهانی، CO 2، و تولیدکننده ازن موجود در محیط زیست، CO استفاده می‌کنند. این دو گاز را می‌توان در غلظت‌های بالای زباله‌های کشاورزی، زغال سنگ و کاربردهای صنعتی به عنوان فرآورده‌های فرعی یافت یا تولید کرد. کاتالیزورها نه تنها از این گازهای معمولاً هدر رفته و غیر دوستانه محیط زیست استفاده می‌کنند، بلکه علاوه بر انتخاب خوب، آنها را با کارایی زیاد و تعداد فرکانس های بالا نیز انجام می‌دهند. این کاتالیزورها به‌طور فعال توسط Novomer Inc برای ساختن پلی کربناتها استفاده شده‌است که می‌تواند جایگزین پوشش فعلی بیسفنول A (BPA) باشد که در بسیاری از بسته‌بندی‌های مواد غذایی و نوشیدنی وجود دارد. تجزیه و تحلیل Novomer نشان می‌دهد که اگر در تمام موارد استفاده شود، این پوشش‌های پلیمری زیست تخریب پذیر می‌تواند از تولید بیشتر از CO 2 در صدها میلیون تن فقط در یک سال جلوگیری کند. نگرانی‌های آینده و مشکلات احتمالی ابتدا خواصی مانند ظرفیت وزن پلیمر تخریب پذیر با پلیمر سنتی متفاوت است که ممکن است در بسیاری از کاربردهای روزانه نامطلوب باشد. پلیمرهای تخریب پذیر اکثراً مواد بر پایه گیاه هستند، به این معنی که آنها در اصل از منبع آلی مانند سویا یا ذرت حاصل می‌شوند. این گیاهان آلی شانس پاشیدن با سموم دفع آفات حاوی مواد شیمیایی را دارند که می‌توانند محصولات زراعی را آلوده کرده و به محصول نهایی منتقل کنند. در مقایسه با روش رسوب سنتی، تجزیه تخریب پلیمر دارای یک دوره تخریب طولانی‌تر است. | ## جمع‌بندی | به عنوان نمونه از پلی هیدروکسی آلکانواتها (PHA) استفاده کنید، PHAها تا سه یا شش ماه یک دوره تخریب دارند.