Transcript Zastosowania

Polimery wrażliwe na pH
Soft Matter, 2008, 4, 435–449
The temperature has to be altered externally in most cases except maybe hyperthermia
therapy within narrow limits. But the pH changes within the body and it can therefore be used to
direct the response to a certain tissue or cellular compartment .
The obvious change in pH along the GI tract from acidic in the stomach (pH=2) to basic in the
intestine (pH=5–8) has to be considered for oral delivery of any kind of drug, but there are also more
subtle changes within different tissue. Certain cancers as well as inflamed or wound tissue exhibit a pH
different from 7.4 as it is in circulation. For example, chronic wounds have been reported to have pH
values between 7.4 and 5.4 and cancer tissue is also reported to be acidic extracellularly
pH in various tissues and cellular compartments
Tissue/cellular compartment
pH
Krew
7.35–7.45
Żołądek
1.0–3.0
Dwunastnica
4.8–8.2
Jelito
7.0–7.5
Endosomy
5.0–6.5
Lizosomy
4.5–5.0
Aparat Golgiego
6.4
Tkanka rakowa (pH pozakomórkowe) 7.2–6.5
Polimery wrażliwe na pH
Polimery wrażliwe na pH reagują na zmiany w otaczającym je środowisku przez zmianę swoich wymiarów.
Materiały takie pęcznieją lub kurczą w zależności od pH. Jest to związane z obecnością pewnych grup
funkcyjnych w łańcuchu polimeru.
Polimery posiadające grupy kwasowe (-COOH, -SO3H) pęcznieją (lub się rozpuszczają) w pH zasadowym.
Polimery posiadające aminowe grupy funkcyjne (-NH2, NHR, NR2, ) pęcznieją (lub się rozpuszczają w pH
kwasowym.
Zjawisko jest odwracalne. Wykorzystywane jest w systemach dozowania leków.
W praktyce stosuje się kopolimery blokowe składające się z bloku pH responsywnego i neutralnego.
http://www.spsj.or.jp/c5/pj/pj08/pj08feb_ga/PJ2007126figc.gif
http://en.wikipedia.org/wiki/PH-sensitive_polymers
Polimery wrażliwe na pH
1. Homo- i kopolimery poli[kwasu akrylowego] PAA
2. Homo- i kopolimery poli[kwasu metakrylowego] PMAA
3. Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] PDMA
4. Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] PDEA
CH 3
CH 2
CH
C
n
O
HO
CH 2
C
C
HO
n
CH 2
CH
C
O
n
CH 2
CH
C
O
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 3
CH 3
N
CH 2
CH 3
polianiony
O
O
O
N
n
polikationy
CH 2
CH 3
Polimery wrażliwe na pH - Homo- i kopolimery poli[kwasu akrylowego] PAA
PS-b-PAA is one of the earliest and most extensively
studied pH-responsive PAA related polymeric system.
At low pH, the polymer is water-insoluble, and with
increasing pH, neutralization of PAA transforms it into a
polyelectrolyte. As a result, the polymers self-assemble
in solution and form aggregates of different
morphologies, depending on PAA length, pH, and salt
concentration.
Kopolimer blokowy PS i PAA
Based on the composition of block copolymers,
two types of micelles have been distinguished and
categorized, namely star and crew-cut micelles.
Although there is no sharp boundary between these two
classes of aggregates, the former is usually made from
block copolymers whose corona-forming
blocks are much longer than core-forming blocks, while
the latter is made from copolymers with longer coreforming blocks.
łańcuchy PAA rozciągnięte przy pH  7
CH 2
CH 2
CH
C
OH
CH
n
O
C O
O
n
Polimery wrażliwe na pH - Homo- i kopolimery poli[kwasu akrylowego] PAA
Polimery wrażliwe na pH - Homo- i kopolimery poli[kwasu akrylowego] PAA
Among these morphologies, vesicles are of great interest owing to their potential applications as
encapsulating agents, particularly in the fields of biomedicine and drug delivery.
Figure 1: Schematical representation of supramolecular structures formed from PS-b-PAA alone
and in the presence of G4-NH2 PAMAM in dioxane/THF at different water content.
http://www.mpip-mainz.mpg.de/groups/landfester/projects
Polimery wrażliwe na pH - Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu]
PDMA
PDMA is both thermo- and pH-responsive. At low pH, it is soluble due to the protonation of PDMA chains. At
both basic and neutral pH, PDMA is also water-soluble due to the formation of hydrogen bonds, and the
observed lower critical solution temperature (LCST) of PDMA of between 32–52 C is dependent on
molecular weight. Quaternization of DMA block in DMA-PMMA copolymer with methyl iodide is nearquantitative, which not only enhanced the water-solubility of the copolymers, but also induced micellization
in aqueous solution within a prescribed pH range.
CH 3
CH 3
CH 2
C
CH 2
n
C
O
CH 2
n
m
C
CH 2
+
NH
CH 3
CH 3
C
C
n
CH 2
CH 2
CH
C
O
O
CH 3
CH 3
CH 3
CH 2
O
CH 2
CH 2
CH 3
m
O
CH 3
CH 2
N
CH
O
O
O
CH 3
C
C
C
O
O
CH 2
CH
n
C
O
O
CH 3
C
m
C
CH 3
CH 3
O
CH 2
CH 2
H 3C
CH 3
m
O
CH 2
N
CH
O
O
CH 3I
CH 2
CH 2
+
N
CH 3
I
CH 3
Polimery wrażliwe na pH - Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu]
PDMA
Rozpuszczalny,
Zjonizowany
Tworzy micelle
Nierozpuszczalny
T>LCST
Niezjonizowany
Rozpuszczalny
T<LCST
Niezjonizowany
pH and temperature responsive of PDMA-b-C60 synthesized through ATRP
in aqueous media. Copyright, American Chemical Society.
PDMA is a water-soluble cationic polymer, which can bind to DNA via electrostatic interaction and can be used as
a gene transfer Agent. PDMA is slightly cytotoxic and may be used to traffic DNA to cells.
Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] PDEA
Compared to PDMA, PDEA is more hydrophobic, hence it only possesses
pH-responsive, and not thermo-responsive behavior.
PDEA is water-insoluble at ambient temperature in neutral or basic pH,
PDMA w tych warunkach jest wrażliwa na temperaturę.
CH 2
CH
C
n
CH 2
CH
O
O
C
CH 2
CH 3
O
O
CH 2
N
n
CH 2
CH 2
CH 3
N
CH 2
CH 3
CH 2
CH 3
Homo- i kopolimery poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] PDEA
Połączenie właściwości magnetycznych i wrażliwości na pH
PDEA was also covalently grafted onto surfaces
of multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) by
MWNT-initiated in situ ATRP. After being
quaternized
with
CH3I,
the
cationic
polyelectrolyte-grafted MWNTs (MWNT–PAmI)
were obtained, followed by charged assembly of
magnetic particles . The magnetic nanotubes
were assembled onto sheep red blood cells in
a phosphate buffer solution (PBS), forming
magnetic cells. The blood cells attached with
magnetic nanotubes can be selectively
manipulated in a magnetic field.
Scheme of the synthesis of magnetic MWNTs through ATRP and TEM images of magnetic nano-tube
samples in the presence of iron. Copyright, American Chemical Society.
Polimery wrażliwe na pH – Kopolimery blokowe poli[akrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] i
poli(kwasu metakrylowego)
(a)NMRspectra of PMAA-b-PDEA at low and high
pH. (b) The hydrodynamic radius distributions and
possible structures of PMAA-b-PDEA at low and high
pH. Copyright, American Chemical Society.
Czy polimer statystyczny posiadałby takie właściwości?
Inne znaczenie polimeru wrażliwego na zmiany pH – polimer degradujący w
środowisku kwaśnym
http://www.bme.gatech.edu/groups/murthylab/research/polyketals/fig1.jpg
Polimery wrażliwe na pH - podsumowanie
Homopolimery – w fazie wodnej pod wpływem temperatury – separacja
faz, pęcznienie, zmniejszenie promienia hydrodynamicznego
Polimery blokowe – tworzenie agregatów
Zastosowania
-Systemy dozowania leków
-Transport genów
-Separacja białek
-Zagęszczacze do materiałów powłokowych
Imprinting – polimery wrażliwe na bodźce zewnętrzne
Advanced Drug Delivery Reviews 54 (2002) 149–161
Hydrożele – układy polimerowe wrażliwe na składniki próbki
Hydrożele są to nierozpuszczalne, usieciowane struktury polimerowe, zbudowane z jednego lub kilu typów
monomerów, które są zdolne do absorpcji dużych ilości wody.
Ze względu na dużą zawartość wody hydrożele charakteryzują się elastycznością zbliżoną do naturalnej
tkanki, co minimalizuje potencjalne podrażnienia w kontakcie z sąsiadującymi tkankami i błonami.
Poza typowymi medycznymi zastosowaniami, jak składniki opatrunków obecnie opracowywane są
inteligentne systemy dozowania leków wrażliwe na otoczenie (enviro-intelligent) i na różnego rodzaju
czynniki zewnętrzne (stimuli-sensitive).
Hydrożele takie wykazują zmiany objętości pod wpływem takich czynników jak: zmiana pH, temperatury,
siły jonowej, pola elektrycznego, czy stężenia substancji chemicznej
http://www.nanotech-now.com/news_images/36768.jpg
Hydrożele jako nośniki w kontrolowanym dozowaniu leków
Mogą być wykorzystywane jako nośniki leków, peptydów i białek.
Hydrożele mogą mieć charakter neutralny kationowy lub anionowy.
Lek jest uwalniany przez spęcznienie matrycy polimerowej, które następuje w wyniku działania
bodźca zewnętrznego (Rys.1)
Szybkość uwalniania leku jest determinowana przez szybkość napływu wody.
Lek immobilizowany wewnątrz cieci polimerowej dyfunduje na zewnątrz tylko w wyniku
spęcznienia polimeru.
Drugim z czynników regulujących szybkość uwalniania jest zdolność łańcuchów polimerowych
do relaksacji
Imprinting molekularny - idea
1.
2.
3.
Samoogranizacja,
tworzenie
kompleksu
pomiędzy
wzorcem analizowanego związku i monomerem
funkcjonalnym (lub oligomerem lub polimerem), na tym
etapie wzorzec musi tworzyć wiązanie kowalencyjne lub
niekowalencyjne z monomerem.
Polimeryzacja z wykorzystaniem związków sieciujących
(wielofunkcyjnych) lub reakcja sieciowania łańcuchów
polimerowych. Proces sieciowania musi przebiegać w
odpowiednim medium, aby zapewnić odpowiednią budowę
polimeru (porowatość).
Usunięcie cząsteczki wzorca.
http://www.pharmainfo.net/files/images/stories/article_images/schematicRepresentationImprintingProcess.jpg
Imprinting molekularny - idea
Na strukturę sieci imprintowanego polimeru (MIP) mają pływ:
1. Charakter chemiczny monomeru (neutralny, kationowy, anionowy, amfifilowy),
2. Zastosowany rozpuszczalnik
3. Zawartość komonomerów podczas polimeryzacji
Selektywność MIP zależy od możliwości zmian kształtu
trójwymiarowej luki
Zmiana kształtu może następować w wyniku relaksacji
łańcuchów polimerowych, pęcznienia polimeru.
Zwiększenie gęstości usieciowania prowadzi do ograniczenia
ruchliwości segmentów polimerowych, ale prowadzi również do
ograniczenia wielkości imprintowanych cząsteczek
W układach o mniejszym stopniu usieciowania może
następować spadek selektywności.
Fig. 3. Imprinting Process. (A) Solution mixture of
template, functional monomer(s) (triangles and circles),
crosslinking monomer, solvent,
and initiator (I). (B) The pre-polymerization complex is
formed via covalent or non-covalent chemistry. (C) The
formation of the network.
(D) Wash step where original template is removed. (E)
Rebinding of template. (F) In less crosslinked systems,
movement of the macromolecular chains will produce
areas of differing affinity and specificity (filled molecule
is isomer of template).
Imprinting molekularny - idea
Fig. 4. Crosslinking to Functional Monomer Ratio. (A) Appropriate crosslinking to functional
monomer size. (B) An increase in crosslinker molecular mass (linear size) without a change in
functional monomer size. Note possible loss of effective recognition in some areas. (C) A
corresponding increase in functional monomer molecular mass (linear size) compared to
crosslinking monomer. Post stabilization of these more flexible functional monomer chains might
be needed for binding specificity.
O
O
O
O
Imprintowane hydrożele jako nośniki w kontrolowanym dozowaniu leków
Ponieważ hydrożele pęcznieją w dużym stopniu i pochłaniają duże ilości hydrofilowego rozpuszczalnika
Imprinting w tych układach wymaga innej metodyki.
Systemy naturalne: białka – posiadają struktury elastyczne i sztywne, które mogą pełnić funkcje
receptorowe. Na trójwymiarową strukturę białka ma wpływ sekwencja aminokwasów.
Założenia dla imprintingu w hydrożelach:
1. Struktura polimeru musi być zróżnicowana pod względem gęstości usieciowania, powinna
zawierać obszary makroporowate i mikroporowate.
2. Obszarami efektywnymi pod względem imprintingu powinny być obszary o dużej gęstości
usieciowania
3. Obszary o większej gęstości usieciowania można uzyskiwać w wyniku reakcji na usieciowanej
strukturze. Reakcje monomeru z siecią polimerową, reakcje pomiędzy łańcuchami polimerowymi.
Przykłady kontrolowanego uwalniania z „inteligentnych” hydrożeli
Fig. 5. Intelligent Analyte-Sensitive Hydrogel Networks.
(A) Induced Swelling — As analyte (A) binds, the
enzymatic reaction (E denotes covalently attached
enzyme) produces a local pH decrease. For the cationic
hydrogel, which is weakly basic, the result is ionization,
swelling, and release of drug, peptide, or protein (filled
circle). When A decreases in the bulk concentration, the
gel shrinks .(B) Loss of Effective Crosslinks — Analyte
competes for binding positions with the protein (P). As
free analyte binds to the protein, effective crosslinks are
reversibly lost and release occurs. Picture not to scale,
binding protein is much larger than released
drug, peptide, or protein (C) Artificial System: Bound
Analyte Induced Swelling — When analyte binds to a
pendent functional group, an ionized complex forms
which swells the network and release occurs . (D)
Artificial System: Analyte Binding Switch — Analyte
binding groups are randomly introduced into the
network during polymerization. Then chemically
modified (analyte (A) attached) drug, peptide, or protein
is bound. As analyte from solution competes for binding
sites, release occurs.
Imprinting molekularny - zastosowania
Fig. 2. Applications of Imprinted Gels. A: Intelligent
release — Imprinted polymer (IP) binds analyte
covalently attached to macromolecular chains. As free
analyte (A) competes for binding sites, the network
opens, and release occurs (the imprinted polymer is
covalently attached or bigger than network mesh). (B)
Targeted Drug Delivery — Imprinted film binds to
specific cellular receptor (R), then release occurs by
other stimuli-release mechanism (pH, temp, etc.). (C)
Microfluidic Devices — Imprinted gel binds analyte
causing the network to swell thereby opening the mesh
size and allowing analyte X to diffuse through matrix.
Sensing the concentration of X (fluorescence, etc.)
would yield analyte concentration.
Projektowanie polimerów potrafiących rozpoznawać wybrane cząsteczki może prowadzić do
zastosowań w dziedzinach:
• Separacji (Chromatografii, Elektroforezie kapilarnej, Ekstrakcji do fazy stałej, Membranowych
technikach rozdziału)
• Testów biochemicznych (na obecność substancji lub oznaczających stężenie substancji)
• Biosensorów
• Katalizie
• Konstruowaniu sztucznych enzymów
Obecnie nie ma komercyjnych zastosowań technologii imprintingu. (Testy biochemiczne opierają się
głównie na immobilizowanych biocząsteczkach)
Polimery z pamięcią kształtu
Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034
Shape memory polymers (SMPs)
materiały
polimerowe
posiadające
zdolność
do
powrotu
ze
stanu
zdeformowanego
(kształtu
tymczasowego) do stanu wyjściowego
(kształtu
trwałego)
pod
wpływem
działania czynnika zewnętrznego jak np.
zmiana temperatury.
Polimery z pamięcią kształtu
Większość SMPs może występować w dwóch
kształtach. Przejście pomiędzy tymi kształtami – powrót
do kształtu podstawowego może nastepować w wyniku
działania temperatury, a także działania pola
magnetycznego, światła, czynników chemicznych (pH)
itp.
Polimery z pamięcią kształtu mogą reprezentować
różne formy od stabilnych, po biodegradowalne, od
elastomerów
po
tworzywa
konstrukcyjne,
od
termoplastycznych po termoutwardzalne.
W fazie amorficznej łańcuchy polimerowe mogą przyjmować dowolną konformację.
Wszystkie możliwe konformacje charakteryzują się taką samą energią wewnętrzną.
Najczęściej jest to przyjmują postać kłębka statystycznego.
W stanie szklistym wszystkie ruchy łańcucha polimerowego są zamrożone.
Jeśli w stanie elastycznym polimer o wystarczająco dużym ciężarze cząsteczkowym poddamy działaniu
siły zewnętrznej łańcuchy ulegną wyprostowaniu. Jeśli siła rozciągająca będzie działała krótko, dzięki
splątaniu nie nastąpią większe przesunięcia łańcuchów między sobą. Po ustąpieniu naprężenia polimer
odzyskuje swój kształt kłębka. Zjawisko takie nazywa się pamięcią kształtu. I wynika z dążenia polimeru
do uzyskania stanu o najwyższej entropii – kłębka statystycznego.
Gdy zewnętrzna siła zostanie przyłożona na dłuższy czas mogą trwałe przesunięcia łańcuchów
polimerowych między sobą, czego rezultatem będzie trwałe odkształcenie plastyczne. Po ustąpieniu
naprężenia i procesie relaksacji, łańcuchy polimerowe przyjmują nowe, bardziej faworyzowane entropowo
kłębki.
Polimery z pamięcią kształtu
Wzajemne przesuwanie się łańcuchów polimerowych można całkowicie zablokować w procesie
sieciowania.
Punkty sieciowania działają jak kotwice zapobiegające przesuwaniu się łańcuchów i utrwalają kształt
polimeru.
Sieciowanie może być chemiczne lub fizyczne.
Polimery składające się z elastycznych łańcuchów poddanych sieciowaniu nazywane są elastomerami.
Polimery usieciowane chemicznie są nierozpuszczalne. Mogą pęcznieć w rozpuszczalniku.
Do grupy elastomerów sieciowanych fizycznie należą elastomery termoplastyczne. Zwykle mają budowę
segmentową na którą składają się segmenty sztywne zdolne do krystalizacji oraz segmenty elastyczne w
formie amorficznej. Temperatura topnienia fazy krystalicznej jest górną temperaturą przy której zachowany
jest kształt polimeru. Powyżej tej temperatury mogą zachodzić nieodwracalne przesunięcia pomiędzy
łańcuchami. Część amorficzna polimeru posiada temperaturę zeszklenia powyżej której łańcuchy
polimerowe są elastyczne. W tych warunkach kłębki polimerowe mogą być rozciągane, co powoduje ich
uporządkowanie, a w rezultacie spadek entropii. Po ustąpieniu naprężenia kłębki wracają do swojej
poprzedniej konfiguracji.
Polimery z pamięcią kształtu
Elastomer może uzyskać funkcjonalność pamięci kształtu tylko wtedy,
gdy uda się utrwalić go w stanie zdeformowanym, w zakresie
temperatur, który dotyczy danego zastosowania.
Kształt można utrwalić wykorzystując łańcuchy pomiędzy punktami
sieciowania jako przełączniki molekularne. W tym celu elastyczność
łańcuchów musi być funkcją temperatury.
Powyżej temperatury transformacji (Ttrans) łańcuchy polimeru powinny
być w stanie elastycznym, poniżej ich elastyczność powinna być
przynajmniej częściowo ograniczona.
Do tego celu wykorzystuje się zwykle temperaturę zeszklenia, lub
temperaturę topnienia fazy krystalicznej.
Figure 5. Schematic representation of the molecular
mechanism of the thermally induced shape-memory
effect for a) a multiblock copolymer with TtransTm, b) a
covalently cross-linked polymer with TtransTm, and c) a
polymer network with TtransTg . If the increase in
temperature is higher than Ttrans of the switching
segments, these segments are flexible (shown in
red) and the polymer can be deformed elastically. The
temporary shape is fixed by cooling down below Ttrans
(shown in blue). If the polymer is heated up again, the
permanent shape is recovered.
Charakteryzacja materiałów z pamięcią kształtu
The shape-memory effect can be quantified by cyclic, thermomechanical investigations. The
measurements are performed by means of a tensile tester equipped with a thermochamber. –
pomiar wytrzymałości na rozciąganie w komorze termicznej.
Przykłady polimerów z pamięcią kształtu – sieciowane fizycznie
Przykłady polimerów z pamięcią kształtu
segment elastyczny
segment sztywny
wiązania wodorowe
Segmenty sztywne
Segmenty elastyczne
Przykłady polimerów z pamięcią kształtu
Przykłady polimerów z pamięcią kształtu – sieciowane chemicznie
There are two strategies for the
synthesis of polymer networks. Firstly, the polymer
network can be synthesized by polymerization,
polycondensation, or polyaddition of difunctional
monomers and macromonomers by the addition of
tri or higher functional cross-linkers. Figure 7 a
shows the synthesis of covalently bound networks
by treating methacrylate monomers with an
oligomeric dimethacrylate as a crosslinker.
The chemical, thermal, and mechanical properties
of the network can be adusted by the choice of
monomers, their functionality, and the cross-linker
content.
The second strategy to obtain polymer
networks is the subsequent crosslinking of linear
or branched polymers (Figure 7 b).
Zastosowania
Potential applications for shape-memory polymers exist
in almost every area of daily life: self-repairing auto
bodies, kitchen utensils, switches, sensors, intelligent
packing, tools, reusable molds, Eyeglass Frames
Only a few of these applications have been
implemented to date, since only a few shape-memory
polymers have so far been investigated and even less
are available on the market. The majority of these
polymers have not been designed especially as shapememory materials. Here, the material design is at its
very beginning.
•
•
•
•
•
Biodegradable biomedical stents.
Artificial muscles
Aeronautical Morphing Wings
Outer Space self deployment systems
Self stitching biodegradable materials