Ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων αλληλοδιεισδυόμενων πολυμερών αποκρινόμενων στο pH και την [sic] θερμοκρασία

• Main Author: Γεωργίου, Αριστείδης
• Other Authors: Georgiou, Aristeidis
• Language: Greek
• Published: 2022
• Subjects: Πολυμερή; Υδροπηκτώματα; Αποκρινόμενα-έξυπνα υδροπηκτώματα; Θερμοκρασία; Αλγινικό νάτριο; 3-Αμινοφαινολικό βορονικό οξύ; Πολυ (ν-ισοπροπυλακρυλαμιδίο) PNIPAm; Πολυ(ακρυλικό οξύ) PAA; Αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα; Ρεολογία πολυμερών; Polymers; Hydrogels; Responsive-smart hydrogels; pH; Temperatute; Sodium alginate; 3-Aminophenolic boronic acid; Poly (n-isopropylacrylamide) PNIPAm; Poly(acrylic acid) PAA; Interpenetrating polymer network (IPN); Polymer rheology

Τα πολυμερικά υλικά διαθέτουν κυρίαρχο ρόλο σε βιοϊατρικές εφαρμογές . Η χρήση τους αυξάνεται με ραγδαίους ρυθμούς και η επιστημονική κοινότητα ερευνά ολοένα και περισσότερους τρόπους αξιοποίησης τους. Μία από τις πιο σημαντικές κατηγορίες πολυμερών είναι τα υδροπηκτώματα, υδρόφιλα πολυμερή που σχηματίζουν δίκτυα ικανά να αποθηκεύσουν υψηλές ποσότητες νερού. Τα υλικά αυτά μελετώνται ως φορείς μεταφοράς φαρμάκων , κυττάρων και άλλων ουσιών στον ανθρώπινο οργανισμό. Η χρήση τους σε τέτοιες εφαρμογές προϋποθέτει υψηλή βιοσυμβατότητα, μετατοπίζοντας τη μελέτη κυρίως σε βιοπολυμερή όπως οι πρωτεΐνες και οι πολυσακχαρίτες. Πολλά υδροπηκτώματα συμπεριφέρονται διαφορετικά ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της απόκρισης τους σε διάφορα χημικά, φυσικά και βιολογικά ερεθίσματα. Το pH και η θερμοκρασία χαρακτηρίζουν όλα τα βιολογικά συστήματα και για το λόγο αυτό υδροπηκτώματα ικανά να αποκρίνονται σε αυτά είναι ιδιαίτερα επιθυμητά. Επιπλέον ένας ανερχόμενος τύπος υδροπηκτωμάτων είναι τα αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα πολυμερών. Η κατηγορία αυτή χαρακτηρίζεται από την παρουσία τουλάχιστον δύο διαφορετικών δικτύων πολυμερών οι αλληλοεμπλοκές των οποίων προσδίδουν στο υδροπήκτωμα αυξημένες μηχανικές ιδιότητες. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων αλληλοδιεισδυόμενων πολυμερών αποκρινόμενων στο pH και την θερμοκρασία. Συντέθηκαν τρία πολυμερή το ένα με pH ευαισθησία και τα άλλα δύο με θερμοαισθησία τα οποία έπειτα χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία αλληλοδιεισδυόμενων δικτύων. Το pH ευαίσθητο πολυμερές ήταν αλγινικό νάτριο εμβολιασμένο ,σε ποσοστό 23.4 %, με 3-Αμινοφαινολικό βορονικό οξύ (Alg -g- B). Το αλγινικό νάτριο αποτελεί φυσικό πολυσακχαρίτη με υ-ψηλή βιοσυμβατότητα και αρκετές χρήσεις στην βιοϊατρική. Η παρουσία του βορονικού οξέος και των διολών του αλγινικού επιτρέπουν τη δημιουργία βορονικών εστερικών ομοιοπολικών δυναμικών δεσμών. Οι δεσμοί αυτοί δρουν ως σταυροδεσμοί και οδηγούν στην ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων που εμφανίζουν pH ευαισθησία. Μετά τη σύνθεση , το πολυμερές χαρακτηρίστηκε με τη χρήση φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( ¹H NMR) και μελετήθηκαν οι ρεολογικές του ιδιότητες σε pH 5 ,7.4 και 9 και σε εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C . Σε pH 5 δεν παρατηρήθηκε η δημιουργία κάποιου δικτύου. Το υδροπήκτωμα σχηματίστηκε σε τιμές pH 7.4 και 9 παρουσιάζοντας εξασθένηση με αύξηση της θερμοκρασίας . Στην περίπτωση του pH 7.4 οδηγήθηκε σε λύση μετά τους 36 °C ενώ pH 9 ήταν πιο ισχυρό και δεν διασπάστηκε με θερμοκρασιακή αύξηση. Τα θερμοευαίσθητα συστήματα ήταν δύο πολυμερή πολυ(ακρυλικού οξέος) (PAA) εμβολιασμένα με οκτώ αλυσίδες πολυ (ν-ισοπροπυλακρυλαμιδίου) χαμηλού (L-PNIPAm) και υψηλού (H-PNIPAm) μοριακού βάρους αντίστοιχα. Οι αλυσίδες του PNIPAm εμφανίζουν κατώτερη κρίσιμη θερμοκρασία διαλύσεως (LCST) κοντά στην θερμοκρασία του ανθρώπινου οργανισμού και οδηγούν στην ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων εξαιτίας υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Τα L-PNIPAm και H-PNIPAm συντέθηκαν με τη χρήση πολυμερισμού ελεύθερων ριζών. Χαρακτηρίστηκαν με τη χρήση φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( ¹H NMR), τιτλοδότησης βάσης-οξέος και θολωμετρίας για τον προσδιορισμό του μοριακού τους βάρους και της θερμοκρασίας LCST τους. Έπειτα εμβολιάστηκαν σε αλυσίδες πολυ(ακρυλικού οξέος) με τη χρήση αντιδράσεων αμιδοποίησης και τα τελικά πολυμερή μελετήθηκαν ως προς τις ρεολογικές τους ιδιότητες σε pH 7.4 και εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C. Ο σχηματισμός του υδροπηκτώματος πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία 35.5 °C και 37.5 °C για του υψηλού και χαμηλού μοριακού βάρους συστήματα αντίστοιχα. Τέλος σχηματίστηκαν δύο διαφορετικά αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα .Το πρώτο αποτελούνταν από ισοβαρείς ποσότητες Alg -g- B και PAA-g-L-PNIPAm . Η μελέτη των ρεολογικών ιδιοτήτων του πραγαματοποιήθηκε σε pH 5 ,7.4 και 9 και σε εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C. Σε pH 5 δεν παρατηρήθηκε κάποιο υδροπήκτωμα. Σε τιμή pH 7.4 το υδροπήκτωμα που σχηματίστηκε ήταν αρκετά α-ασθενές και εμφάνισε εξασθένιση με τη θερμοκρασία έως τους 40 °C ενώ περαιτέρω αύξηση της οδήγησε στην ενίσχυση του. Σε pH 9 το υδροπήκτωμα ήταν σαφώς ισχυρότερο και παρουσίασε εξασθένιση με αύξηση της θερμοκρασίας σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος. Το δεύτερο αλληλοδιεισδυόμενο δίκτυο αποτελούνταν από ισοβαρείς ποσότητες Alg -g- B και PAA-g-H-PNIPAm. Η μελέτη των ρεολογικών ιδιοτήτων πραγματοποιήθηκε στις ίδιες συνθήκες.. Το σύστημα επέδειξε ισχυρότερες μηχανικές ιδιότητες ,σε όλα τα ρεολογικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, σε σχέση με το προηγούμενο. Το υδροπήκτωμα σχηματίστηκε σε pH 5 και σε θερμοκρασία άνω των 40 οC. Σε τιμή pH 7.4 και 9 η συμπεριφορά του υδροπηκτώματος ήταν παρόμοια με αυτή του προηγουμένου συστήματος με κύρια διαφορά ότι εμφάνισε ισχυρότερη ελαστική συμπεριφορά. Και τα δύο αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα εμφάνισαν ενδιάμεσες ιδιότητες σε σχέση με τα συστατικά τους . Ωστόσο σε φυσιολογικές τιμές pH και θερμοκρασίας τα υδροπηκτώματα τους ήταν αρκετά ασθενή και χρίζουν περεταίρω τροποποίησής ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές.