پلی یورتان ها دسته ای از مواد پرکاربرد و قابل تنظیم بوده که دارای خواص منحصر به فردی از جمله استحکام کششی بالا، مقاومت در برابر سایش و خستگی و انعطاف پذیری در دماهای پایین هستند. قابلیت تنظیم خواص پلی یورتان به این دسته از پلیمرها اجازه داده است تا در زندگی روزمره ما در زمینه های متنوعی مانند پوشاک، لوازم خانگی، ساخت و ساز و صنعت خودرو در همه جا حاضر شوند. علاوه بر این، پلی یورتان هایی با زیست سازگاری و همسازگاری عالی را می توان سنتز کرد و استفاده از آن ها را به عنوان مواد زیستی در صنعت پزشکی امکان پذیر نمود. ماهیت قابل تنظیم مواد زیستی پلی یورتان همچنین آن ها را به عنوان مواد دارورسان به عنوان کاندیدای عالی تبدیل می کند، که تمرکز این مقاله است. ایده اساسی که ما قصد داریم در این مقاله برجسته کنیم، روابط ساختار-ویژگی-عملکرد موجود در سیستم های پلی یورتان است. به طور خاص، ساختار شیمیایی پلیمر خواص ماکروسکوپی آن را تعیین کرده و عملکردهایی را که برای آن ها به خوبی انجام خواهد شد، دیکته می کند. با کاوش در روابط ساختار-ویژگی-عملکرد پلی یورتان ها، هدف ما این است که خواص اساسی را که می توان برای دستیابی به آزادسازی کنترل شده دارو تنظیم کرد و محققان را برای طراحی سیستم های پلی یورتان جدید برای کاربردهای دارورسانی آینده طراحی کرد، توضیح داد.
پلی یورتان ها
پلی یورتان ها (PUs ) دسته ای از پلیمرها هستند که به دلیل خواص منحصر به فرد و قابل تنظیمی که دارند در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. به طور خاص، این مواد در کاربردهای زیست پزشکی (به ویژه در کاربردهای قلبی عروقی) و برای استفاده به عنوان وسایل دارورسانی مورد استفاده قرار گرفته اند. این مقاله مروری مختصر از توسعه PU ها، سنتز آن ها، چگونگی جداسازی میکروفاز موجود در PU های ترموپلاستیک (TPU ) به خواص منحصر به فرد آن ها، کاربرد آن ها در پزشکی مدرن و نقش آن ها در تحویل دارو ارائه می دهد. سپس چالش‌های آینده را که باید برای پیشبرد حوزه تحویل داروی PU مورد توجه قرار گیرد، شرح می‌دهیم. اتو بایر تیمی از دانشمندان آلمانی را رهبری کرد که شیمی پلیمریزاسیون جدید را برای ایجاد مواد قابل رقابت با نایلون بررسی کردند. آن ها پلی اوره ها را از طریق واکنش آمین ها و ایزوسیانات های دو عملکردی تولید کردند و تحقیقات بیشتری بر پلیمرهای تولید شده از واکنش دی ال ها و دی ایزوسیانات ها انجام دادند. واکنش بین یک الکل و یک ایزوسیانات باعث ایجاد پیوند یورتان (-NHCOO ) می شود که در نتیجه این دسته از مواد به عنوان پلی یورتان نامیده می شوند. یکی از اولین PUهایی که به موفقیت تجاری دست یافت، با واکنش هگزا متیلن دی ایزوسیانات و ۱،۴-بوتان دی ال تولید شد که منجر به تولید پلیمری با ساختار شیمیایی بسیار شبیه به نایلون ۶،۶ شد. علاوه بر این، خواص فیزیکی مشابه بود، با این تفاوت که PU نقطه ذوب پایین‌تری داشت. پس از این موفقیت اولیه، PU های جدید با ساختارهای کوپلیمر بلوکی با استفاده از پلی استر، پلی اتر و پلی کربنات ساخته شدند. امروزه PU ها دسته ای از مواد هستند که به طور گسترده در کاربردهای پزشکی ، ورزشی، صنعت خودروسازی، و کفش به دلیل مقاومت در برابر سایش، مقاومت بالای آن ها در برابر مواد شیمیایی، حلال ها، روغن و سایر خواص فیزیکی وشیمیایی مفید آن ها استفاده می شوند.
پلی یورتان ها با ساختارهای کوپلیمر بلوکی را می توان از طیف وسیعی از بلوک های ساختمانی مونومر سنتز کرد:
بسیاری از PU های تجاری موفق امروزی کوپلیمرهای بلوکی متناوب هستند، به این معنی که زنجیره های پلیمری دارای بخش های متناوب از واحدهای تکراری A و B از نظر شیمیایی متمایز هستند. PU ها معمولاً به گونه ای طراحی می شوند که یکی از واحدهای تکراری، به اصطلاح سگمنت سخت، در دمای عملیاتی شیشه ای یا کریستالی باشد، در حالی که بخش نرم لاستیکی است. علاوه بر این، بخش ها به گونه ای انتخاب می شوند که با یکدیگر ناسازگار باشند. این ناسازگاری بین بخش‌ها منجر به جدایی فاز در مقیاس نانومتری در ماده می‌شود، به این معنی که برخی از مناطق غنی از بخش‌های نرم (لاستیکی یا الاستومری) و برخی دیگر که غنی از بخش‌های سخت (شیشه‌ای یا کریستالی) هستند. فرآیند جدایی فازی در PU ها تحت تأثیر پیوند هیدروژنی بین پیوندهای یورتان، اندازه و ساختار سگمنت های سخت و نرم و دما است. این ماهیت جدایی فاز باعث ایجاد بسیاری از خواص مطلوب در PU ها می شود. با این حال، PU هایی که فقط از پلی ال ها و دی ایزوسیانات ها سنتز می شوند، اغلب خواص مکانیکی ضعیفی دارند. به این ترتیب، یک جزء اضافی، که به عنوان توسعه دهنده زنجیره نامیده می شود، اغلب در ستون فقرات پلیمری گنجانده می شود تا جدایی فازی بین سگمنت های سخت و نرم ناسازگار را افزایش دهد، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. در پلیمر نهایی، سگمنت سخت توسط دی ایزوسیانات و گسترش دهنده زنجیره تشکیل شده، در حالی که سگمنت نرم توسط پلی ال تشکیل می شود.
بسیاری از دی ایزوسیانات ها، پلی ال ها و گسترش دهنده های زنجیره ای در سنتز PU مورد بررسی قرار گرفته اند. دی ایزوسیانات ها اغلب به عنوان آلیفاتیک یا آروماتیک طبقه بندی می شوند. بخش های نرم معمولاً از دی ال های پلی استر، پلی اتر یا پلی کربنات تشکیل می شوند. این مولکول ها اغلب در شرایط کاربرد بسیار بالاتر از دمای انتقال شیشه ای خود بوده و به پلی یورتان خاصیت لاستیکی می دهند. گسترش دهنده های زنجیره ای اغلب دی ال های آلیفاتیک کوتاه حاوی ۲ تا ۶ اتم کربن، مانند ۱،۴ بوتان دی ال هستند.
سنتز پلی یورتان برای کنترل ساختار شیمیایی پلیمر استفاده می شود:
PU ها معمولاً از طریق واکنش رشد پله ای دی ایزوسیانات ها، پلی ال ها و گسترش دهنده های زنجیره ای در دماهای بیشتر از ۸۰ درجه سانتی گراد و در حضور کاتالیزور مناسب ساخته می شوند. واکنش اساسی بین دی ایزوسیانات و یک گروه هیدروکسیل پلی ال رخ می دهد. پلیمرها می توانند به روش سنتز یک مرحله ای یا دو مرحله ای تولید شوند. در روش یک مرحله ای، پلی ال، دی ایزوسیانات و گسترش دهنده زنجیره در یک مرحله واکنش مخلوط و پلیمریزه می شوند. در مقابل، می توان از یک فرآیند دو مرحله ای استفاده کرد. ابتدا، دی ایزوسیانات با پلی ال واکنش می دهد تا یک پیش پلیمر با وزن مولکولی متوسط تولید کند که دارای گروه های انتهایی دی ایزوسیانات است. پیش پلیمرها الیگومرهای خطی با سگمنت های سخت و نرم متناوب هستند. سپس پیش پلیمر با گسترش دهنده زنجیره واکنش داده تا پلیمر با وزن مولکولی بالا و ترکیب شیمیایی مورد نظر را به دست آورد. PU های ترموست را می توان با استفاده از پلی ال هایی با بیش از دو گروه هیدروکسیل تشکیل داد. روش پیش پلیمر معمولاً ترجیح داده می شود زیرا امکان کنترل بهتر ساختار شیمیایی و خواص فیزیکوشیمیایی پلیمر را فراهم می کند.
پلی یورتان ها باید به طور خاص برای استفاده در کاربردهای پزشکی طراحی شوند:
تعداد تقریباً نامحدودی از انواع مختلف PU را می توان ساخت. با این حال، همه آن ها در کاربردهای پزشکی مفید نیستند. به طور خاص، پلیمر، محصولات تخریب آن و هر گونه افزودنی مانند نرم کننده ها باید به خوبی توسط بدن تحمل شده و در کاربرد انتخابی زیست سازگار باشند. به طور مشابه، محصولات تخریب و نرم کننده ها باید دارای خواص مشابه و همچنین غیر سمی و غیر سرطان زا باشند. با وجود این محدودیت ها، پلی یورتان های زیادی در پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند که در ادامه بیشتر توضیح داده خواهد شد. در سیستم‌های تجزیه‌پذیر، PUهای ساخته شده از دی ایزوسیانات‌های آلیفاتیک، اغلب سازگاری سلولی بالاتری نسبت به آن هایی که از دی ایزوسیانات‌های آروماتیک تولید می‌شوند، نشان می‌دهند. این اغلب به سمی بودن محصولات تخریب نسبت داده می شود. چندین دی ایزوسیانات آلیفاتیک برای استفاده در کاربردهای PU زیست تخریب پذیر از جمله دی ایزوسیانات های ال-لیزین، دی ایزوسیانات هگزامتیلن، دی ایزوسیانات ۴،۴دی سیکلوهگزیل متان و ۱،۴-دی ایزوسیاناتوبوتان، که همگی به محصولات سمی کمتری تجزیه می شوند، پیشگام شده اند.
پلی یورتان ها دارای مزایا و معایب متمایز نسبت به سایر بایومواد پلیمری هستند:
بسیاری از پلیمرهای مصنوعی مختلف در کاربردهای زیست پزشکی استفاده می شوند. به عنوان مثال، پلی استرهایی مانند پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی گلایکولیک اسید (PGA) و پلی لاکتیک اسید (PLA ) در طیف وسیعی از دستگاه های پزشکی و سیستم های دارورسانی مورد استفاده قرار می گیرند. و مواد کمتر تجزیه پذیر مانند پلی اتیلن (PE ) و پلی متیل متاکریلات (PMMA ) اغلب برای ایمپلنت های پزشکی دائمی استفاده می شوند. اول، باید درک کرد که مقایسه مستقیم بین PU و سایر پلیمرهای پزشکی دشوار است زیرا PU ها یک کلاس بسیار متنوع و مدولار از پلیمرها هستند. در مقابل، موادی مانند PCL، PLGA، PE و PMMA پلیمرهای منحصر به فردی با ساختار شیمیایی نسبتاً ثابت هستند. این پلیمرها دارای دامنه بسیار محدودتری از خواص بالقوه در مقایسه با خانواده وسیع PU ها هستند. برای یک هموپلیمر خطی با ساختار واحد تکرار ثابت، سه دسته اصلی که محقق می تواند برای تنظیم خواص فیزیکی از آن ها استفاده کند عبارتند از طول زنجیره پلیمری (به عنوان مثال، وزن مولکولی)، درجه تبلور (برای پلیمرهایی که می توانند متبلور شوند)، و روش پردازش. در مقابل، طیف وسیعی از ایزوسیانات‌ها، پلی‌ال‌ها و گسترش‌دهنده‌های زنجیره‌ای که در دسترس است، به این معنی است که می‌توان طیف وسیع‌تری از پلیمرها را با طیف وسیع‌تری از خواص فیزیکی تولید کرد. در واقع، ماهیت سفارشی PU ها مزیت اصلی آن ها در مقایسه با سایر پلیمرها است. با این حال، خواص منحصر به فرد PU ها بدون معایب نیست. به طور خاص، سنتز PU ها معمولا پیچیده تر است. PU ها اغلب از طریق یک فرآیند دو مرحله ای سنتز می شوند: سنتز پیش پلیمر و سپس گسترش زنجیره برای تولید پلیمر با وزن مولکولی بالا. علاوه بر این، کاتالیزورهای خاص و مونومرهای متعدد مورد نیاز است. در مقابل، استفاده از پلیمریزاسیون حلقه باز برای تولید PCL و پلیمریزاسیون رادیکال آزاد برای تولید PMMA تنها به دو ماده شیمیایی واکنش پذیر (مونومر و یک کاتالیزور/ آغازگر) نیاز دارد و این واکنش ها در یک مرحله انجام می شوند. علاوه بر این، سنتز پیچیده تر و تعداد بیشتر مواد اولیه اغلب به این معنی است که PU ها گرانتر از سایر پلیمرها هستند. با این حال، سنتز پیچیده تر و هزینه بالاتر اغلب برای بسیاری از کاربردهای زیست پزشکی توجیه می شود، که شیوع بایومواد PU و تحقیقات قابل توجهی را که روی PU ها به عنوان وسایل دارورسان انجام شده است، توضیح می دهد.
کاربرد پلی یورتان در صنعت پزشکی
پلی یورتان ها به طور گسترده در کاربردهای پزشکی استفاده می شوند:
ماهیت قابل تنظیم PU ها به آن ها اجازه داده است که به طور گسترده در کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار گیرند. آن ها برای کاربردهای گسترده ای از جمله دستگاه های قلبی عروقی، اندام های مصنوعی، جایگزین های بافت و دارورسانی مورد بررسی قرار گرفته اند و اگر به درستی طراحی شوند، PU ها برخی از زیست سازگارترین و همسازگارترین مواد موجود امروزی هستند. در این بخش، کاربردهای تجاری PUs در پزشکی را به تفصیل شرح خواهیم داد و حوزه‌هایی را که تحقیقات فعال در آن انجام می‌شود، شرح می‌دهیم. این بخش جامع نیست، اما تنوع و اهمیت PU ها را در طیف گسترده ای از کاربردهای پزشکی نشان می دهد.
۱. کاربردهای قلبی عروقی:
- پلی یورتان ها را می توان به گونه ای طراحی کرد که سازگاری خوبی با هم داشته باشند. به این ترتیب، آن ها سابقه طولانی استفاده در فضای قلب و عروق دارند. به طور خاص، آن ها به طور فعال در کاربردهای پزشکی که از بالون استفاده می کنند و عایق سرب ضربان ساز استفاده می شود. PU ها به طور منظم برای دسترسی طولانی مدت به ورید مرکزی استفاده می شوند. چنین دسترسی وریدی برای بیماران مبتلا به بسیاری از بیماری های بدخیم و بیماری های مزمن که نیاز به داروی اختصاصی دارند، حیاتی است. در حالی که استفاده از پلی یورتان از نظر بالینی موفق است، دارای محدودیت هایی نیز میباشد. به طور خاص، یک مطالعه نشان داد که استفاده از PU در این زمینه نرخ بیشتری از عفونت و ترومبوز را نشان می دهند. پلی یورتان ها از نظر بالینی به عنوان بالون در کاربردهای پزشکی نیز استفاده می شوند. به عنوان مثال، این بالون ها در روش‌های پزشکی از جمله گشاد کردن عروق و باز کردن انسداد استفاده می‌شوند. آنها توسط بسیاری از شرکت ها از جمله Medtronic، Boston Scientific و Nordson MEDICAL به بازار عرضه می شوند. علاوه بر این، بالن های پلی یورتان به عنوان پمپ های بالون داخل آئورت برای خون استفاده می شوند. عملکرد پمپ به پمپاژ خون کمک کرده و بار کاری قلب را کاهش می دهد.
۲. اندام های مصنوعی / جایگزینی اندام
- PU ها همچنین در بسیاری از کاربردهایی که در آن دستگاه ها جایگزین عملکرد اندام ها می شوند، یافت می شوند. به عنوان مثال، یک قلب مصنوعی کامل می تواند عمر فرد را طولانی کند. محفظه، دیافراگم ها و اتصالات مورد استفاده در قلب مصنوعی از PU های قطعه بندی شده ساخته شده و این ماده به دلیل زیست سازگاری برتر در مقایسه با بسیاری از مواد دیگر، مقاومت در برابر خستگی و استحکام انتخاب شده است. علاوه بر استفاده از آنها در قلب مصنوعی، PU ها معمولاً در سایر دستگاه های جایگزین اندام از جمله همودیالیزورها و اکسیژن سازهای غشایی خارج از بدن استفاده می شوند. اکسیژن سازهای غشایی برون بدنی دستگاه هایی هستند که خون را به خارج از بدن فرد پمپاژ و اکسیژن می کنند و به قلب و ریه ها اجازه استراحت می دهند. علاوه بر این، فوم های پلی یورتان به عنوان فیلترهایی برای حذف میکروآمبولی ها از اکسیژن سازها مورد بررسی قرار گرفته اند.
۳. تعویض بافت
- یکی دیگر از زمینه های پزشکی که PU ها تأثیر بالینی داشته اند، فضای جایگزینی بافت است. به طور خاص، PU ها از نظر بالینی در ترمیم زخم به عنوان پانسمان زخم و چسب های جراحی استفاده شده اند. علاوه بر این، تحقیقات فعالی در حال وقوع است که بر استفاده از PU به عنوان داربست برای کاربردهای مهندسی بافت تمرکز دارد. شرکت های متعددی با تمرکز بر بهبود زخم، پانسمان های زخم مبتنی بر پلی یورتان از جمله Medifoam و PolyNovo را می فروشند. این محصولات اغلب فوم های پلی یورتان بوده که ترشحات زخم را جذب می کنند، محیطی مرطوب را برای تسهیل بهبود زخم فراهم کرده و از نفوذپذیری اکسیژن خوبی برخوردارند. علاوه بر این، ساختارهای چند لایه معمولاً برای ایجاد یک لایه بیرونی استفاده می‌شوند که به عنوان یک مرز برای جلوگیری از عفونت با محدود کردن آلودگی باکتریایی زخم عمل می‌کند. علاوه بر این، مواد مصنوعی مانند PUs اغلب در این کاربردها به جای گزینه‌های جایگزین مانند ژلاتین و کلاژن استفاده می‌شوند، زیرا غیر بیولوژیکی بوده و در برابر عفونت مقاوم‌تر هستند. گاهی اوقات، عوامل ضد میکروبی در پانسمان زخم گنجانده می شوند تا محافظت بیشتری در برابر عفونت ایجاد کنند. PU ها به دلیل خواص مکانیکی و تخریب مناسب، به طور فعال در ساخت داربست برای کاربردهای مهندسی بافت مورد بررسی قرار می گیرند. داربست های PU از طریق طیف گسترده ای از فناوری های ساخت از جمله جداسازی فاز، ریسندگی الیاف، الکتروریسی و چاپ سه بعدی ساخته شده اند و آن ها در طیف گسترده ای از کاربردهای مهندسی بافت از جمله قلبی عروقی، اسکلتی عضلانی، عصبی و استخوانی مورد بررسی قرار گرفته اند.
.
ماهیت قابل تنظیم پلی یورتان ها استفاده از آن ها را به عنوان وسایل دارورسانی امکان پذیر کرده است:
ماهیت قابل تنظیم PU ها و استفاده همه جانبه از آن ها در زمینه پزشکی، آن ها را به وسیله ای ایده آل برای کاربردهای دارورسانی تبدیل می کند. به طور خاص، آن ها در صنعت زیست پزشکی به عنوان وسایل نقلیه دارورسانی مورد توجه قرار گرفته اند. شکل ۲ توجه فزاینده ای را که PU ها در زمینه تحویل دارو از سال ۱۹۸۰ دریافت کرده اند و میزان بالای فعالیت در این زمینه تحقیقاتی را نشان می دهد. به طور خاص، PU ها به عنوان وسایل دارورسانی در طیف گسترده ای از فرمت ها از جمله دستگاه های حجیم، پوشش ها، ذرات و میسل ها استفاده شده اند.
مانند هر سیستم تحویل دارویی، کنترل سرعت و مدت زمان تحویل دارو از دستگاه های PU برای دستیابی به اثر درمانی مطلوب ضروری است. ماهیت قابل تنظیم سنتز PU به محققان اجازه می دهد تا بسیاری از خواص فیزیکوشیمیایی پلیمر را برای دستیابی به مشخصات آزادسازی داروی مورد نظر اصلاح کنند.
بدون دیدگاه