نانوکامپوزیت های برپایه پلیمرهای زیست تخریب پذیر طبیعی و هیبرید آنها با پلی آنیلین؛ تهیه، بررسی خصوصیات و کاربردها

مواد پلیمری در زمینه های مختلف زندگی روزمره انسانها از قبیل بسته بندی، مواد ساختمانی، کشاورزی و ابزارهای پزشکی کاربرد دارند. این مواد ماکرومولکولی عموما از نفت حاصل می شوند و اغلب آنها تخریب پذیر نیستند. با این وجود منابع نفتی محدود هستند و استفاده رو به رشد از پلیمرهای غیرزیست تخریب پذیر مشکلات محیط زیستی جدی را به بار می آورد. به علاوه پلیمرهای غیرزیست تخریب پذیر برای کاربردهای موقتی نظیر برخی مصارف پزشکی مناسب نیستند و بنابراین از سال 1970 توجه زیادی به پلیمرهای زیست تخریب پذیر شده است. گرچه پلیمرهای زیست تخریب پذیر با سرعت قابل توجهی در زمینه های مختلف بکار گرفته می شوند، اما بطور کامل جانشین پلیمرهای غیر زیست تخریب پذیر معمول نشده اند. دلیل اصلی این امر معایب این پلیمرها از جمله خواص مکانیکی ضعیف، دمای تغییر شکل پایین، آب دوستی بالا، نفوذپذیری بالای گاز و فرآیندپذیری ضعیف آنها می باشد که کاربرد این پلیمرها را محدود کرده است. بنابراین اصلاح پلیمرهای زیست تخریب پذیر ضروری گردیده است. برای این منظور از تقویت کننده های مختلفی نظیر خاک های رس نانومقیاس (سیلیکات های لایه ای)، تیناتات های لایه ای نانومقیاس و نانوتیوب های کربن با هدف بهبود برجسته در خواص نهایی این مواد پلیمری بهره گرفته شده است. در این میان سیلیکات های لایه ای بدلیل محدوده وسیعی از خواص بهبود یافته که شامل نفوذ ناپذیری بالا، مقاومت در برابر اشتعال پذیری، پایداری حرارتی و زیست سازگاری، جذب حلال و سرعت تخریب پذیری بالا می باشد، مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. پلیمرهای زیست تخریب پذیر به عنوان یک دسته وسیع از بیو مواد می توانند بطور گسترده برای کاربردهای پزشکی بکار گرفته شوند. این امر می تواند به دلیل انعطاف پذیری در اصلاح این پلیمرها باشد که با خواص مکانیکی و فیزیکی بافت ها یا ارگانهای مختلف بدن سازگار گشته و دارای عمر قابل کنترل باشند. عمر کم مواد بطور ویژه برای کاربرد در داخل بدن موجود زنده مانند سیستم های رهایش دارو و ترمیم بافت آسیب دیده ترجیح داده می شود، زیرا در صورت استفاده از پلیمرهای زیست پایا یک جراحی دوم برای خارج ساختن ایمپلنت نیاز خواهد بود. به نظر می رسد که پلیمرهای طبیعی (نظیر نشاسته، کیتوزان، ژلاتین و آلژینات) اولین انتخاب برای کاربردهای بیوپزشکی باشند، زیرا زیست سازگاری عالی دارند، از نظر ساختار به محیط های سلولی نزدیک هستند و با مکانیسم های آنزیمی یا هیدرولیتیکی زیست تخریب پذیر هستند. با این وجود برای اینکه پلیمرهای طبیعی در زمینه های بیوپزشکی مختلف بطور کامل مثمرثمر باشند، بایستی تکنیک های تهیه کامپوزیت و یا بلند کردن آنها با سایر پلیمرها و همچنین افزودن نانوذرات تقویت کننده در مورد آنها بکار گرفته شوند. پلیمرهای هادی (cps) نظیر پلی پیرول (ppy) و پلی آنیلین (pani) نیز به عنوان دسته جالب توجهی از پلیمرها از دهه 1980 در زمینه های بیوپزشکی بکار گرفته شدند. مزایای این پلیمرها برای کاربردهای بیوپزشکی شامل زیست سازگاری، توانایی برای به تله انداختن و رهایش مولکولهای بیولوژیکی (دوپه شدن برگشت پذیر)، توانایی برای انتقال بار از واکنش های بیوشیمی و تغییر آسان خواص الکتریکی، شیمیایی و فیزیکی باعث بکارگیری آنها در بسیاری از کاربردهای بیوپزشکی مانند بیوسنسورها، داربست های مهندسی بافت، پروب های عصبی، ابزارهای رهایش دارو و محرک های زیستی شده است. با بررسی های انجام گرفته در زمینه پلیمرهای زیست تخریب پذیر مورد استفاده در کاربردهای بیوپزشکی، چنین دریافت شد که اکثرا پلیمرهای سنتزی پلی استری آلیفاتیک نظیر پلی لاکتیک اسید (pla)، پلی (لاکتید-کو-گلیکولیک) اسید (plga) و پلی کاپرولاکتون (pcl) بکار گرفته شده اند. با وجود اینکه این پلیمرها استحکام مکانیکی نسبتا خوبی دارند و سرعت تخریب آنها از طریق تغییر شرایط سنتز قابل اصلاح است، اما سطح آنها آب گریز است و مشکل در تشخیص سیگنالهای سلولی دارند. در مقابل پلیمرهای طبیعی زیست تخریب پذیر نظیر کیتوزان، سلولز، نشاسته، ژلاتین، کلاژن و آلژینات، مزایای تشخیص بیولوژیکی را دارند و چسبندگی و عوامل سلولی را ساپورت می کنند. با این حال بدلیل خواص مکانیکی و فرآیندپذیری ضعیف شان بصورت خالص کمتر بکار گرفته می شوند و اغلب در ترکیب با پلیمرهای سنتزی ذکر شده بررسی شده اند. اخیرا بهبود خواص این پلیمرهای طبیعی با افزودن تقویت کننده های نانومقیاس مورد توجه می باشد. با این وجود تحقیقات در زمینه انتخاب دقیق نوع و مقدار پلیمرهای طبیعی برای تهیه کامپوزیت ها و بلندهای آنها با یکدیگر و همچنین انتخاب تقویت کننده ها در ماتریس آنها، بصورت هدفمند و جهت یافته برای کاربردهای بیوپزشکی ویژه در آغاز کار می باشد و به عنوان یکی از زمینه های تحقیقاتی جالب با هدف جایگزین کردن مواد رایج قبلی به منظور ارائه روشهای نوین و مقرون به صرفه درمانی در کشور ما نیز ضروری به شمار می رود. در این راستا در طرح پژوهشی حاضر، ابتدا نانوکامپوزیت های پلیمری زیست تخریب پذیر با بکارگیری پلیمرهای طبیعی نظیر کیتوزان، ژلاتین، نشاسته و آلژینات سدیم و نانوذرات خاک رس (مونت موریلونیت) و همچنین هیبرید این نانوکامپوزیت ها با پلیمر هادی پلی آنیلین تهیه می شود. مورفولوژی و خصوصیات ساختاری، خواص مکانیکی و حرارتی آنها بررسی خواهد شد. یکی از اهداف این کار پژوهشی، ارزیابی کاربرد این نانوکامپوزیت ها به عنوان داربست های پلیمری برای مهندسی بافت می باشد. افزودنی های نانومقیاسی مانند خاک رس مونت موریلونیت بدلیل خاصیت تورق پذیری لایه های آن که منجر به ورود بیشتر مولکولهای آب بین لایه ها و در نتیجه آماس پذیری بیشتر شده و همچنین سطح تماس بیشتری با پلیمر برای بهبود خواص مکانیکی ایجاد می کند، انتخاب می شود. نقش سرامیک های زیست فعالی مانند تری کلسیم فسفات و هیدروکسی آپاتیت در القای خواص بیواکتیویته و تسریع در تشکیل مواد معدنی برای ترمیم استخوان، و نیز نقش بکارگیری پلیمر هادی پلی آنیلین در آمیزه پلیمرهای بکار رفته در داربست به جهت تحریک رشد سلولی و خواص ضدمیکروبی آن مطالعه خواهد شد. همچنین طراحی منحصربفرد داربست از نظر ساختار (اندازه و توزیع حفرات)، میزان تخلخل، میزان آب دوستی، جذب آب، میزان آماس پذیری، خواص مکانیکی و تست های شرایط آزمایشگاهی (in-vitro) (میزان تخریب، تشکیل مواد معدنی، کشت و سازگاری سلولی) با انتخاب بهینه مقادیر پلیمرها و نانوذرات، کنترل و بهینه سازی خواهد شد. برای انتخاب بهینه مقادیر و نسبت های اجزا می توان از روشهای مختلف مدلسازی و طراحی آزمایش بهره گرفت. هدف دیگر طرح پژوهشی بکارگیری این سیستم های نانوکامپوزیتی در کاربردهای دارورسانی (با تمرکز بر داروهای ضدسرطان) می باشد. آنالیزهایی برای بررسی ساختار، خواص حرارتی، مکانیکی و رفتار رهایشی انجام می گیرد. نانوذرات خاک رس (مونت موریلونیت) علاوه بر بهبود خواص جذبی سامانه های پلیمری برای رهایش دارو، بدلیل تأثیری که در کاهش عوارض جانبی داروهای ضدسرطان دارد، در سیستم های پلیمری طراحی شده بکار گرفته می شوند. مطالعه بر روی رهایش همزمان داروها به جهت کاهش عوارض جانبی داروهای ضد سرطان و تأثیر پارامترهای عملیاتی در بهبود کارایی سامانه های رهایش دارو بررسی خواهد شد. استفاده از روشهای طراحی آزمایش به منظور مطالعه همزمان اثر پارامترهای عملیاتی و تعیین شرایط بهینه مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.