PH-αποκρινόμενα, θερμο-σταθερά, αυτο-ιάσιμα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολυ(ακρυλικού οξέος) με πολυλυσίνη

• Κύριος συγγραφέας: Καργάκη, Μαρία-Ελένη
• Άλλοι συγγραφείς: Kargaki, Maria-Eleni
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Υδροπηκτώματα; Απόκριση pH; Θερμο-σταθερό; Αυτο-ίαση; Πολυ(ακρυλικό οξύ); Πολυλυσίνη; Πολυμερή; Πεπτίδια; Δευτεροταγής δομή; Ρεολογία; Κυκλικός διχρωισμός; Αλληλεπιδράσεις α-ελίκων; Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις; Πολυηλεκτρολύτες; Hydrogels; pH-response; Thermo-resistance; Self-healing; Poly(acrylic acid); Poly (L-lysine); Polymers; Peptides; Secondary structure; Rheology; Circular dichroism; SEM; A-helical associations; Electrostatic associations; Polyelectrolytes

Οι υδρογέλες (Hydrogels) αποτελούν τρισδιάστατα πολυμερικά δίκτυα, τα οποία είναι ικανά να απορροφούν μεγάλες ποσότητες νερού με αποτέλεσμα να διογκώνονται. Το υψηλό περιεχόμενο τους σε νερό αποτελεί σπουδαίο χαρακτηριστικό καθώς λόγω αυτού μοιάζουν αρκετά με τους βιολογικούς ιστούς και κατ’επέκταση χαρακτηρίζονται για την καταλληλόλητα τους ως βιοϋλικά. Ανάλογα τις μηχανικές ιδιότητες του(βιο-συγκόλληση, ρεολέπτυνση) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες μορφές και σε διαφορετικές εφαρμογές της βιοϊατρικής. Για παράδειγμα, οι υδρογέλες που αποκρίνονται στην διάτμηση με σημαντική μείωση στην τιμή του ιξώδους τους θεωρούνται κατάλληλες για ενέσιμες εφαρμογές και 3D-βιοεκτύπωσης. Αντίστοιχα, συναντώνται στην μηχανική των ιστών ως ικριώματα για μεταφορά κυττάρων, στην αναπλαστική ιατρική ως επιθέματα σε ανοιχτές πληγές και στην γενικότερη περίπτωση ως συστήματα στοχευμένης μεταφοράς και έκλουσης φαρμάκου. Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση αυτών των συστημάτων μπορεί να είναι συνθετικά, φυσικά ή συνδυασμός τους μέσω της σύνθεσης συμπολυμερών. Όλο και περισσότερο στην σημερινή επιστημονική πραγματικότητα επιλέγονται φυσικά υλικά ως πρώτη ύλη, όπως πολυσακχαρίτες, πολυπεπτίδια-πρωτεΐνες ακόμη και λιπίδια. Αυτό συμβαίνει καθώς προσδίδουν στο υλικό σημαντικά χαρακτηριστικά όπως η βιοσυμβατότητα, η απουσία κυτταροτοξικότητας και η βιοαποικοδόμηση. Επιπλέον, μια σημαντική κατηγορία υδροπηκτωμάτων που συναντάται σε αυτού του είδους τις εφαρμογές είναι τα αποκρινόμενα σε εξωτερικό ερέθισμα φυσικά διασυνδεμένα, τα οποία αποτελούν δυναμικά συστήματα. Για παράδειγμα, τα pH-αποκρινόμενα μπορούν να μεταβαίνουν από την υγρή κατάσταση σε gel ( sol to gel ή και αντίστροφα) μέσω της ρύθμισης της τιμής του pH. Τέλος, τις περισσότερες φορές χρησιμοποιείται συνδυασμός φυσικού και συνθετικού πολυμερούς, για παράδειγμα εμβολιάζεται μια συνθετική πολυμερική αλυσίδα πάνω σε έναν πολυσακχαρίτη για να του προσδώσει απόκριση σε εξωτερικό ερέθισμα. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη και την μελέτη pH-αποκρινόμενων υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με το συνθετικό πολυπεπτίδιο την πολύ(L-λυσίνη). Το υπό μελέτη συμπολυμερές προήλθε από ένα πρόδρομο συμπολυμερές το οποίο είχε συντεθεί και χαρακτηριστεί σε προηγούμενες μελέτες του Εργαστηρίου Πολυμερών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών. Πρόκειται για το εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) η οποία είχε προστατευμένες τις ε-αμινομάδες της από ομάδες tert-βουτοξυκαρβολυνίων (boc) (PAA-g-PLL-BOC), το οποίο σχηματίζει pH- αποκρινόμενα υδροπηκτώματα από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η pH- απόκριση του συστήματος αυτού οφειλόταν αποκλειστικά στην παρουσία του ανιοντικού πολυηλεκτρολύτη, τo πολύ(ακρυλικό οξύ). Η βασική ιδέα της παρούσας έρευνας βασίζεται στην απομάκρυνση των υδρόφοβων ομάδων (boc) με σκοπό την δυνατότητα ιοντισμού των ομάδων NH2 του μονομερούς της λυσίνης σε δεδομένες τιμές pH ώστε να εξεταστεί εάν το νέο συμπολυμερές θα μπορούσε να σχηματίσει ένα φυσικό διασυνδεδεμένο πολυμερικό δίκτυο σε υδατικό περιβάλλον (υδροπήκτωμα) μέσω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων ανάμεσα σε φορτισμένες ομάδες αμίνης και καρβοξυλίου που συναντώνται στα δύο επιμέρους πολυμερή. Για αυτό το σκοπό, αρχικά πραγματοποιήθηκε η αντίδραση υδρόλυσης των ομάδων boc στο συμπολυμερές PAA-g-PLL-BOC κάτω από ισχυρά όξινες συνθήκες. Το προϊόν της αντίδρασης χαρακτηρίστηκε με την πειραματική τεχνική φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου(H-NMR) ώστε να ελεγχθεί η απομάκρυνση των υδρόφοβων τμημάτων, η οποία επιβεβαιώθηκε. Η πυκνότητα εμβολιασμού παρέμεινε ανεπηρέαστη και ίση με 8 % mol/mol δηλαδή 11 αλυσίδες πολύ(L-λυσίνης) ανά 1 αλυσίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός του συστήματος με διεξαγωγή πειραμάτων κυκλικού διχρωισμού, μέτρησης ζήτα δυναμικού καθώς και σκέδασης φωτός (δυναμική και στατική). Ειδικότερα για αυτόν τον χαρακτηρισμό παρασκευάστηκαν υδατικά διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης σε διάφορες τιμές pH και ιοντικής ισχύος που εκτείνονταν από όξινο σε ισχυρά βασικό περιβάλλον. Από τα πειράματα αυτά υποδεικνύεται πως το σύστημα είναι ικανό να αυτό-οργανώνεται και να αναπτύσσει συσσωματώματα σε κάθε τιμή pH. Αναλυτικότερα, σε όξινο περιβάλλον το σύστημα αυτό-οργανώνεται μέσω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων και τα δύο πολυμερή αποκτούν διαμόρφωση τυχαίου σπειρώματος. Σε ουδέτερο και βασικό περιβάλλον (pH= 7.4 και 9.0) η PLL αποκτά διαμόρφωση α-έλικας λόγω της εξουδετέρωσης των φορτίων της από τα αρνητικά φορτία του PAA, το οποίο περιτυλίγεται γύρω από εκείνην λόγω της εύκαμπτης αλυσίδας του δημιουργώντας μία υβριδική διπλή έλικα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ιξωδομετρίας για τον έλεγχο παρουσίας ή μη αλληλοεμπλοκών μεταξύ των αλυσίδων του PAA. Τα σχηματιζόμενα υδροπηκτώματα μελετήθηκαν για την επίδρασης της συγκέντρωσης, του pH, της ιοντικής ισχύος και τέλος την θερμοκρασία. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις δεν σχηματίζεται υδροπήκτωμα αλλά εντοπίζεται ένα ιξωδοελαστικό υγρό με αυξημένη ελαστική απόκριση λόγω της παρουσίας ασθενούς δικτύου . Με αύξηση της συγκέντρωσης πάνω από την κρίσιμη συγκέντρωση σχηματισμού δικτύου (Cgel), η οποία προσδιορίστηκε με βάση τα ρεολογικά δεδομένα ίση με 2.26 % w/w , αναπτύσσονται ισχυρά ελαστικά υδροπηκτώματα με κινητική << παγωμένου>> δικτύου. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ιξωδοελαστικές παραμέτρους, για παράδειγμα το μέτρο αποθήκευσης G’ αυξάνει με αύξηση της. Επιπλέον, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας απόκριση στο pH και τη διάτμηση. Εμφανίζει μία ιδιαίτερη pH-απόκριση καθώς ανάλογα την τιμή του pH αλλάζει ο μηχανισμός σχηματισμού 3D δικτύου. Σε ασθενές όξινο περιβάλλον το δίκτυο σχηματίζεται μέσω ιοντικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων αλυσίδων διαμόρφωσης τυχαίου σπειρώματος, σε ουδέτερο και βασικό συναντώνται οι ίδιες αλληλεπιδράσεις που συγκροτούν μία διπλή έλικα ενώ σε πολύ βασικό περιβάλλον που η PLL πλέον δεν φέρει φορτία αναπτύσσονται αλληλεπιδράσεις α-ελίκων που βασίζονται στα υδρόφοβα τμήματα της πλευρικής ομάδας της λυσίνης, τα 4 μεθύλια (CH2). Όσον αφορά την απόκριση στην διάτμηση, το σύστημα χαρακτηρίζεται από αντιστρεψιμότητα και σημαντική μείωση στην τιμή ιξώδους του λόγω του φαινομένου της ρεολέπτυνσης. Όσον αφορά την δυνατότητα χρήσης του σε ενέσιμη εφαρμογή προτείνεται σε σχετικά χαμηλή συγκέντρωση (3 % w/w) σε τιμή φυσιολογικού pH ενώ για τις υπόλοιπες συγκεντρώσεις προτείνεται η χρήση του σε εφαρμογές τρισδιάστατης βιο-εκτύπωσης (3D-bioprinting). Η επίδραση της ιοντικής ισχύος σχετίζεται με το φαινόμενο της προάσπισης των φορτίων που συναντάται σε διαλύματα και υδροπηκτώματα πολυαμφολυτών. Συγκεκριμένα, σε μικρές συγκεντρώσεις άλατος NaCl το δίκτυο συνεχώς ενισχύεται και εμφανίζει μια κρίσιμη τιμή μετά την οποία πλέον το σύστημα αποδυναμώνεται και σημειώνεται πτώση στις μηχανικές ιδιότητες του. Αξιοσημείωτο αποτελεί πως σε σχετικά υψηλή τιμή ιοντικής ισχύος (0.45 Μ) ο σχηματισμός υδροπηκτώματος παραμένει και δεν εμφανίζεται μακροσκοπική ροή. Επιπλέον, σε υψηλές τιμές συγκέντρωσης άλατος, σε pH που συναντάται ο σχηματισμός α-έλικας λόγω εξουδετέρωσης φορτίων, δεν ευνοείται αυτή η δομή και η PLL αποκτά διαμόρφωση τυχαίου σπειρώματος. Τέλος, το σύστημα χαρακτηρίζεται από θερμο-σταθερότητα στο πεδίο τιμών ενδιαφέροντος για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς δεν σημειώνεται μεταβολή στα μέτρα αποθήκευσης και απωλειών. Τέλος, διεξήχθησαν πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) με σκοπό την εύρεση της τιμής της μέσης διαμέτρου πόρων για δύο τιμές pΗ (5.5 και 7.4), που στην μικρότερη τιμή εμφανίζονται μεγαλύτερες τιμές με μεγαλύτερη διασπορά. Συμπερασματικά, η αλλαγή στην δευτεροταγή δομή του πολυπεπτιδίου μέσω της αλλαγής του pH και της ιοντικής ισχύος επηρεάζει σημαντικά τις ρεολογικές ιδιότητες του υπό μελέτη συστήματος καθώς αλλάζει το είδος των φυσικών σταυροδεσμών του δικτύου.