Ανάπτυξη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων από εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη)

• Κύριος συγγραφέας: Κάργα, Μαρία Ελένη
• Άλλοι συγγραφείς: Karga, Maria Eleni
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Υδροπηκτώματα; Ενέσιμα; Συμπολυμερή; Πολυ(ακρυλικό οξύ); Πολυ(λυσίνη); Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις; pH-Ευαισθησία; Διατμητική απόκριση; Αυτο-οργάνωση; Δίκτυα; Hydrogels; pH-Responsive; Shear-responsive; Biocompatible; Injectables; Hydrophobic

Τα υδροπηκτώματα ή υδρογέλες αποτελούν τρισδιάστατες υδρόφιλες πολυμερικές δομές, οι οποίες μπορούν να παγιδεύουν μεγάλες ποσότητες νερού και να διογκώνονται. Η ιδιότητά τους αυτή συντελεί στη ομοιότητά τους με ζωντανούς ιστούς, με αποτέλεσμα τη στροφή του ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας προς αυτά για να εκμεταλλευτούν σε διάφορες βιοεφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον έχει δοθεί στο σχεδιασμό υδρογελών από βιοσυμβατά πολυμερή, όπως αυτά των φυσικών πολυπεπτιδίων. Τα μακρομόρια αυτά έχουν το πλεονέκτημα της βιοαποικοδομησιμότητας, μη τοξικότητας και κατά συνέπεια εύκολα αποδέχονται από τον οργανισμό κατά την χρήση τους. Επιπλέον, τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν φυσικό τρόπο διασύνδεσης, όπως μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, θεωρούνται πολλά υποσχόμενα υλικά για βιοεφαρμογές, όπως η μη-χανική ιστών, η μεταφορά φαρμάκων και κυττάρων κ.α., καθώς αποτελούν δυναμικά συστήματα με αναστρέψιμες ιδιότητες. Τα διασυνδέσιμα υδατοδιαλυτά πολυμερή, ανήκουν στη κατηγορία πολυμερών που σχηματίζουν υδροπηκτώματα με πληθώρα αλληλεπιδράσεων, όπως οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Βασίζονται σε συμπολυμερή που αποτελούνται από υδρόφιλες πολυμερικές αλυσίδες συνδεδεμένες με υδρόφοβες ομάδες στα άκρα τους ή εμβολιασμένες πάνω τους. Έχουν βρει εφαρμογές σε βαφές, τρόφιμα, στην εξόρυξη καυσίμων, στα καλλυντικά και τη βιοτεχνολογία εξαιτίας των πολλά υποσχόμενων ιξωδοελαστικών τους ιδιοτήτων. Τα «έξυπνα» ή αποκρινόμενα στα ερεθίσματα φυσικά υδροπηκτώματα εμφανίζουν ευαισθησία σε περιβαλλοντικές αλλαγές, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς μπορούν να ενισχυθούν οι ιδιότητές τους με τη μεταβολή διάφορων συνθηκών. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν ευαισθησία στο pH. Σε τέτοια συστήματα μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν οι ιδιότητές τους προσαρμόζοντας κατάλληλα τις συνθήκες pH. Επιπλέον, υδροπηκτώματα που εμφανίζουν απόκριση στη διάτμηση και ψευδοπλαστική συ-μπεριφορά είναι πολύ χρήσιμα για εφαρμογές που απαιτείται η μείωση ή αύξηση του ιξώδους (ρεολέπτυνση ή ρεοσκλήρυνση) κατά την επιβολή διατμητικής τάσης, όπως αυτής των ενέσιμων συστημάτων. Τα ενέσιμα υδροπηκτώματα έχουν την δυνατότητα να ρέουν κατά τη διάρκεια της ενέσιμης χορήγησής του και στη συνέχεια να διαμορφώνονται σε σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα, δηλαδή ισχυρά πηκτώματα κατά την είσοδό τους στον οργανισμό. Έχουν αναπτυχθεί πληθώρα τέτοιων συστημάτων με εφαρμογές όπως στη μη επεμβατική μηχανική ιστών, στην αναγέννηση ιστών και στην ελεγχόμενη χορήγηση φαρμακευτικών ουσιών με μη επεμβατικές διαδικασίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και τη ρεολογική μελέτη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη). Η παρασκευή του συμπολυμερούς πραγματοποιήθηκε με εμβολιασμό του υδρόφοβου πολυπεπτιδίου στο σκελετό του πολύ(ακρυλικού οξέος) μέσω αντίδρασης σχηματισμού αμιδικού δεσμού. Ο χαρακτηρισμός της σύνθεσης, μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου, έδειξε επιτυχή ανάπτυξη του συμπολυμερούς με τον εμβολιασμό κατά μέσο όρο 6.6 αλυσίδων υδρόφοβης πολύ(L-λυσίνης) ανά μία αλυ-σίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Το συμπολυμερές ανήκει στη κατηγορία των διασυνδέσιμων υδατοδιαλυτών πολυμερών αναπτύσσοντας σε υδατικό περιβάλλον φυσικά υδροπηκτώματα ως α-ποτέλεσμα των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται και τα οποία μελετήθηκαν ως προς τα ρεολογικά τους χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, για τη μελέτη της ρεολογικής τους συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα ρεολογίας σε ρεόμετρο τάσης σε δείγματα πέντε δια-φορετικών συγκεντρώσεων συμπολυμερούς, 0.25%, 0.5%, 0.74%, 1% και 1.2% wt, τεσσάρων διαφορετικών συνθηκών pH, 5, 6, 7.4, 8.8, και με προσθήκη ποσότητας άλατος NaCl 0.15M. Η ρεολογική μελέτη απέδειξε ότι το συμπολυμερές εμφανίζει ισχυρά υδροπηκτώματα σε υδατικό περιβάλλον, παρουσιάζοντας ελαστική συμπεριφορά και ιδιότητες ενός «παγωμένου» δικτύου. Αξιοσημείωτο αποτελεί το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά αυτά παρατηρούνται σε μικρές συγκεντρώσεις συμπολυμερούς (<1.2% wt) σε σύγκριση με άλλα φυσικά υδροπηκτώματα που έχουν μελετηθεί ως τώρα. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ρεολογικές ιδιότητες με αύξηση των μέτρων ελαστικότητας της υδρογέλης κατά την αύξηση της συγκέντρωσης, ακολουθώντας την εκθετική σχέση G’~C1.93 . Την ίδια στιγμή, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας ευαισθησία στο pH και τη διάτμηση, ενώ εμφανίζει σταθερότητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Η απόκριση στο pH συμβάλει ευεργετικά στην ανάπτυξη ενός πιο ισχυρού τρισδιάστατου δικτύου που μπορεί να παρομοιαστεί με ένα μαλακό στερεό, εξαιτίας της εξάρτησης του βαθμού ιονισμού των καρβοξυλομάδων του πολυηλεκτρο-λύτη-σκελετού PAA από αυτό. Με την αύξηση του βαθμού ιονισμού (αύξηση του pH) παρατηρείται έκταση των αλυσίδων, λόγω απωστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων, και υπερίσχυση των διαμοριακών υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων έναντι των ενδομοριακών. Έτσι, η ισχύς και διό-γκωση του υδροπηκτώματος μπορεί να ρυθμιστεί αποτελεσματικά αλλάζοντας τις συνθήκες pH. Παρουσιάζει, επιπλέον, εξαιρετική απόκρισή στη διατμητική παραμόρφωση (shear response) και ιδιότητες ρεολέπτυνσης με την πτώση του ιξώδους κατά την επιβολή διατμητικής τάσης και την άμεση επαναφορά του συστήματος στις αρχικές του συνθήκες όταν αυτή σταματήσει. Η αντιστρέψιμότητα της απόκρισης του υδροπηκτώματος στη διάτμηση αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό που συνδέεται με την ιδιότητα της ενεσιμότητας, έχοντας δηλαδή τη δυνατότητα να χορηγείται ενέσιμα και να διαμορφώνει σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα όταν εισέρχεται στο σώμα. Η ρεολογική συμπεριφορά του σε προσομοίωση πειραμάτων ενεσιμότητας, έδειξε ότι μπορεί να αναπτύσσει ισχυρό δίκτυο μόλις εισέλθει στο σώμα, ενώ η διαδικασία της ένεσης μπορεί να ρυθμιστεί σε τιμές ανεκτές για τον άνθρωπο. Επιπροσθέτως, μελετώντας τα υδροπηκτώματα με προσθήκη άλατος NaCl, συμπεραίνεται ότι παρατηρείται το φαινόμενο της προάσπισης φορτίων με αποδυνάμωση του δικτύου παρουσία των ιόντων του άλατος και την επικράτηση ιξώδους συμπεριφοράς. Συμπερασματικά, τα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέ-ος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) εμφανίζουν ενδιαφέρουσες προοπτικές ως «έξυπνα» ενέσιμα συστήματα για βιοεφαρμογές, έχοντας τη δυνατότητα να καθοριστούν συγκεκριμένα ρεολογικά χαρακτηριστικά ρυθμίζοντας κατάλληλα παραμέτρους όπως το pH και τη συγκέντρωση. Η χρήση τους θα μπορούσε να προταθεί σε εφαρμογές ελεγχόμενης χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών για αντιμετώπιση διάφορων διαταραχών, στη μηχανική και αναγέννηση ιστών κτλ. Τέλος, καθο-ριστικό ρόλο διαδραματίζει και το γεγονός ότι το συγκεκριμένο σύστημα αποτελεί μία πρωτότυπη σύνθεση εμβολιασμένου συμπολυμερούς που εμφανίζει το πλεονέκτημα της βιοσυμβατότητας, εμπεριέχοντας το βιοαποικοδομήσιμο πολυπεπτίδιο της πολύ(L-λυσίνης).