โพลิเมอร์อัจฉริยะ
พอลิเมอร์อัจฉริยะพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าหรือพอลิเมอร์เชิงฟังก์ชัน คือ พอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงที่เปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อมที่มันอยู่
วัสดุดังกล่าวสามารถไวต่อปัจจัยหลายประการ เช่นอุณหภูมิความชื้น ค่า pH สารประกอบทางเคมีความยาวคลื่นหรือความเข้มของแสงหรือ สนาม ไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กและสามารถตอบสนองได้หลายวิธี เช่น การเปลี่ยนแปลงสีหรือความโปร่งใส การนำไฟฟ้าหรือการซึมผ่านของน้ำ หรือการเปลี่ยนรูปร่าง ( พอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่าง ) โดยปกติ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อมก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในคุณสมบัติของพอลิเมอร์[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
สิ่งเร้า
ระบบพอลิเมอร์หลายชนิดตอบสนองต่ออุณหภูมิ โดยเกิด การเปลี่ยนสถานะ ที่อุณหภูมิวิกฤตต่ำสุด (LCST) หนึ่งในพอลิเมอร์ที่ได้รับการศึกษาอย่างดีคือโพลี(N-ไอโซโพรพิลอะคริลาไมด์)ซึ่งมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะประมาณ 33 °C อะคริลาไมด์ N- อัล คิล ที่มีโครงสร้างคล้ายกัน หลายชนิด ก็แสดงพฤติกรรม LCST เช่นกัน โดยอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะขึ้นอยู่กับความยาวของ โซ่ด้านข้าง ที่ไม่ชอบน้ำเหนืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ พอลิเมอร์เหล่านี้จะละลายน้ำไม่ได้ พฤติกรรมนี้เชื่อว่าเกิดจาก เอนโทรปี
การจำแนกประเภทและเคมี
พอลิเมอร์อัจฉริยะแบบเส้นตรงและแบบเมทริกซ์มีคุณสมบัติหลากหลายขึ้นอยู่กับหมู่ฟังก์ชันที่ทำ ปฏิกิริยา และโซ่ข้าง หมู่เหล่านี้อาจตอบสนองต่อค่า pH อุณหภูมิความเข้มข้นของไอออน สนาม ไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กและแสง พอลิเมอร์บางชนิดเชื่อมโยงกันแบบย้อนกลับได้ด้วยพันธะที่ไม่ใช่โคเวเลนต์ซึ่งสามารถแตกและก่อตัวใหม่ได้ขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอกนาโนเทคโนโลยีเป็นพื้นฐานสำคัญในการพัฒนาพอลิเมอร์อนุภาคนาโนบางชนิดเช่นเดนดริเมอร์และฟูลเลอรีนซึ่งถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการนำส่งยา การห่อหุ้ม ยาแบบดั้งเดิม ทำได้โดยใช้ พอลิเมอร์ กรดแลคติก การพัฒนาล่าสุดได้เห็นการสร้างเมทริกซ์คล้ายโครงตาข่ายที่กักเก็บยาที่ต้องการไว้ภายในหรือถูกกักไว้ระหว่างเส้นใยพอลิเมอร์
โคพอลิเมอร์แบบกราฟต์และบล็อกคือพอลิเมอร์สองชนิดที่กราฟต์เข้าด้วยกัน ปัจจุบันมีสิทธิบัตรจำนวนมากสำหรับพอลิเมอร์หลายชนิดที่มีหมู่ปฏิกิริยาต่างกัน ผลิตภัณฑ์ที่ได้แสดงคุณสมบัติของส่วนประกอบแต่ละชนิด ซึ่งเพิ่มมิติใหม่ให้กับโครงสร้างพอลิเมอร์อัจฉริยะ และอาจมีประโยชน์สำหรับการใช้งานบางอย่าง การเชื่อมโยงพอลิเมอร์ที่ไม่ชอบน้ำและชอบน้ำเข้าด้วยกัน ส่งผลให้เกิดโครงสร้างคล้ายไมเซลล์ ซึ่งสามารถช่วยปกป้องการนำส่งยาผ่าน ตัวกลาง ที่เป็นน้ำจนกว่าสภาวะ ณ ตำแหน่งเป้าหมายจะทำให้พอลิเมอร์ทั้งสองชนิดสลายตัวพร้อมกัน
วิธีการแบบกราฟต์และบล็อกอาจเป็นประโยชน์ในการแก้ปัญหาที่พบจากการใช้พอลิเมอร์ชีวเกาะติด ทั่วไปอย่าง กรดโพลีอะคริลิก (PAA) PAA เกาะติดกับพื้นผิวเยื่อเมือกได้ แต่จะบวมและสลายตัวอย่างรวดเร็วที่pH 7.4 ส่งผลให้ยาที่ถูกกักเก็บไว้ในเมทริกซ์ถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว การผสมผสาน PAA กับพอลิเมอร์อื่นที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงที่ pH เป็นกลางน้อยกว่า อาจช่วยเพิ่มระยะเวลาการคงอยู่และชะลอการปล่อยยา ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลของยาได้
ไฮโดรเจลเป็นโครงข่ายพอลิเมอร์ที่ไม่ละลายในน้ำ แต่จะบวมหรือยุบตัวลงเมื่อสภาพแวดล้อมทางน้ำเปลี่ยนแปลง ไฮโดรเจลมีประโยชน์ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพสำหรับการแยกเฟส เนื่องจากสามารถนำกลับมาใช้ใหม่หรือรีไซเคิลได้กำลังมีการวิจัยหาวิธีใหม่ๆ ในการควบคุมการไหล หรือการดักจับและปล่อยสารประกอบเป้าหมายในไฮโดรเจล มีการพัฒนาไฮโดรเจลที่มีความเชี่ยวชาญสูงเพื่อใช้ในการส่งและปล่อยยาเข้าสู่เนื้อเยื่อเฉพาะ ไฮโดรเจลที่ทำจาก PAAc เป็นที่นิยมอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติในการยึดเกาะทางชีวภาพและการดูดซับ ที่ สูง มาก
การตรึงเอนไซม์ในไฮโดรเจลเป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับค่อนข้างดีแล้ว โครงข่ายพอลิเมอร์ที่เชื่อมโยงกันแบบย้อนกลับได้และไฮโดรเจลสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระบบชีวภาพได้ในลักษณะเดียวกัน โดยที่การตอบสนองและการปลดปล่อยยาจะถูกกระตุ้นโดยโมเลกุลเป้าหมายเอง หรืออีกทางหนึ่ง การตอบสนองอาจถูกเปิดหรือปิดโดยผลิตภัณฑ์จาก ปฏิกิริยาของ เอนไซม์ซึ่งมักทำได้โดยการรวมเอนไซม์ตัวรับหรือแอนติบอดีที่จับกับโมเลกุลที่สนใจเข้าไปในไฮโดรเจล เมื่อจับกันแล้วปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นซึ่งกระตุ้นปฏิกิริยาจากไฮโดรเจล ตัวกระตุ้นอาจเป็นออกซิเจน ซึ่งตรวจจับได้โดยใช้ เอนไซม์ ออกซิโดรีดักเทสหรือการตอบสนองที่ตรวจจับค่า pH ตัวอย่างของอย่างหลังคือการกักเก็บกลูโคสออกซิเดสและอินซูลิน ไว้ ในไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่อค่า pH ร่วมกัน ในสภาวะที่มีกลูโคส การสร้างกรดกลูโคนิกโดยเอนไซม์จะกระตุ้นการปลดปล่อยอินซูลินจากไฮโดรเจล
เกณฑ์สองประการที่ทำให้เทคโนโลยีนี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพคือ ความเสถียรของเอนไซม์และจลนศาสตร์ที่รวดเร็ว (ตอบสนองต่อตัวกระตุ้นอย่างรวดเร็วและฟื้นตัวหลังจากเอาตัวกระตุ้นออก) มีการทดสอบกลยุทธ์หลายอย่างใน การวิจัย โรคเบาหวานประเภทที่ 1ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้พอลิเมอร์อัจฉริยะประเภทเดียวกันที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำตาลในเลือดและกระตุ้นการผลิตหรือการปล่อยอินซูลิน ในทำนองเดียวกัน มีการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจลที่คล้ายกันหลายอย่างในฐานะ ตัวนำ ส่งยาสำหรับสภาวะและโรคอื่นๆ[ 4 ]
เจลไพโรเมลลิทาไมด์ เป็น เจลประเภทหนึ่งที่ใช้โมเลกุลไพโรเมลลิทาไมด์เป็นพื้นฐาน[ 5 ] [ 6 ]เจลดังกล่าวอยู่ระหว่างการพัฒนา ซึ่งจะช่วยซ่อมแซมกล้ามเนื้อและไขสันหลัง ที่ขาด ในผู้ป่วย
แอปพลิเคชัน
พอลิเมอร์อัจฉริยะปรากฏในงานประยุกต์เฉพาะทางและผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวัน มีการใช้พอลิเมอร์เหล่านี้ในเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์เช่นกล้ามเนื้อเทียมการผลิตไฮโดรเจลบรรจุ ภัณฑ์ ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และใน วิศวกรรมชีวการแพทย์อย่างกว้างขวางตัวอย่างหนึ่งคือพอลิเมอร์ที่เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตามการเปลี่ยนแปลงของค่า pH ซึ่งสามารถใช้ในการส่งยาได้ [ 7 ] อีก ตัวอย่าง หนึ่งคือพอลิเมอร์ที่ไวต่อความชื้นซึ่งใช้ในวัสดุปิดแผลแบบปรับตัวได้เองซึ่งจะควบคุมสมดุลความชื้นในและรอบๆ แผลโดยอัตโนมัติ[ 8 ] [ 9 ]
การตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นของพอลิเมอร์อัจฉริยะเป็นสิ่งที่ทำให้พวกมันมีเอกลักษณ์และมีประสิทธิภาพ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติอย่างมีนัยสำคัญสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยสิ่งกระตุ้นเพียงเล็กน้อย เมื่อการเปลี่ยนแปลงนั้นเกิดขึ้นแล้ว จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมอีก ซึ่งหมายความว่าการตอบสนองแบบทั้งหมดหรือไม่มีเลยจะเกิดขึ้นอย่างคาดการณ์ได้ โดยมีความสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ทั่วทั้งพอลิเมอร์ พอลิเมอร์อัจฉริยะอาจเปลี่ยนแปลงรูปร่างการยึดเกาะหรือ คุณสมบัติการกักเก็บ น้ำเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในค่า pH ความเข้มข้นของไอออนอุณหภูมิ อัลตราซาวนด์ หรือตัวกระตุ้นอื่นๆ ตัวอย่างเช่น Kubota และคณะได้ออกแบบและบรรจุ ไมโครบี ดไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่ออัลตราซาวนด์ด้วยอนุภาคนาโนซิลิกาซึ่งจะถูกปล่อยออกมาภายใต้การกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราซา วนด์ [ 10 ]
อีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของพอลิเมอร์อัจฉริยะนั้นอยู่ที่ธรรมชาติพื้นฐานของพอลิเมอร์โดยทั่วไป ความแข็งแกร่งของการตอบสนองของแต่ละโมเลกุลต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งเร้าเป็นผลรวมของการเปลี่ยนแปลงของ หน่วย โมโนเมอร์ แต่ละ หน่วย ซึ่งหากอยู่โดดๆ การตอบสนองที่อ่อนแอเหล่านี้จะน้อยมาก อย่างไรก็ตาม การตอบสนองที่อ่อนแอเหล่านี้ เมื่อรวมกันหลายร้อยหรือหลายพันครั้ง จะสร้างแรงผลักดันที่มากพอสมควรสำหรับกระบวนการทางชีวภาพ
อุตสาหกรรมยาเกี่ยวข้องโดยตรงกับความก้าวหน้าของโพลิเมอร์ ในด้านนี้ โพลิเมอร์มีบทบาทสำคัญ และความก้าวหน้าของโพลิเมอร์กำลังช่วยเหลือประชากรทั่วโลก ร่างกายมนุษย์เป็นเครื่องจักรที่มีระบบที่ซับซ้อนและทำงานตอบสนองต่อสัญญาณทางเคมี โพลิเมอร์มีบทบาทในเทคโนโลยีการนำส่งยาที่สามารถควบคุมการปลดปล่อยสารบำบัดในปริมาณที่กำหนด[ 11 ]โพลิเมอร์มีความสามารถในการจดจำโมเลกุลและนำส่งภายในเซลล์[ 11 ]โพลิเมอร์อัจฉริยะเข้ามามีบทบาทและใช้ประโยชน์จากการจดจำโมเลกุล และในที่สุดก็ผลิตระบบการรับรู้และตัวพาโพลิเมอร์เพื่ออำนวยความสะดวกในการนำส่งยาในระบบร่างกาย
พอลิเมอร์เรืองแสงแบบขยายสัญญาณ (AFP) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์อัจฉริยะชนิดหนึ่ง ใช้ในการตรวจจับวัตถุระเบิดเช่นTNTรวมถึงPFASและวัสดุผิดกฎหมาย[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
ชีวการแพทย์
ปัจจุบัน การใช้งานโพลิเมอร์อัจฉริยะที่แพร่หลายที่สุดในด้านชีวการแพทย์คือการส่งยาไปยังเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจง นับตั้งแต่มีการพัฒนายาแบบ ปลดปล่อยตามเวลา นักวิทยาศาสตร์ก็เผชิญกับปัญหาในการหาวิธีส่งยาไปยังตำแหน่งเฉพาะในร่างกายโดยไม่ให้ยาเสื่อมสภาพใน สภาพแวดล้อมที่ เป็นกรด สูง ในกระเพาะอาหาร การป้องกันผลข้างเคียงต่อกระดูกและเนื้อเยื่อที่แข็งแรงก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการใช้โพลิเมอร์อัจฉริยะเพื่อควบคุมการปลดปล่อยยาจนกว่าระบบนำส่งจะไปถึงเป้าหมายที่ต้องการ การปลดปล่อยนี้ถูกควบคุมโดยตัวกระตุ้นทางเคมีหรือทางสรีรวิทยา
เมทริกซ์พอลิเมอร์อัจฉริยะปลดปล่อยยาโดยปฏิกิริยาทางเคมีหรือทางสรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ซึ่งมักเป็นปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่ส่งผลให้พันธะแตกและปลดปล่อยยาออกมาเมื่อเมทริกซ์สลายตัวเป็น ส่วนประกอบที่ย่อยสลายได้ทาง ชีวภาพการใช้พอลิเมอร์ธรรมชาติได้ถูกแทนที่ด้วย พอ ลิเมอร์สังเคราะห์เช่นพอลิแอนไฮไดรด์ พอลิเอสเตอร์ กรดพอลิอะคริลิก พอลิ(เมทิลเมทาคริเลต ) พอลิ(ฟทาลาลดีไฮด์)และพอลิยูรีเทน พบว่า พอลิเมอร์ที่ชอบน้ำไม่มีโครงสร้างผลึก มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ และมีอะตอมอื่นที่ไม่ใช่คาร์บอน (เช่น อะตอมอื่นๆ) จะสลายตัวได้เร็วที่สุด นักวิทยาศาสตร์ควบคุมอัตราการส่งยาโดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเหล่านี้ จึงปรับอัตราการสลายตัวได้
อื่น
พอลิเมอร์อัจฉริยะไม่ได้มีไว้สำหรับการนำส่งยาเพียงอย่างเดียว คุณสมบัติของมันทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแยกสารชีวภาพเวลาและต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการทำให้โปรตีน บริสุทธิ์ อาจลดลงอย่างมากโดยการใช้พอลิเมอร์อัจฉริยะที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและย้อนกลับได้เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวกลาง ระบบคอนจูเกตถูกนำมาใช้เป็นเวลาหลายปีในการแยกสารทางกายภาพและการแยกสารโดยอาศัยความสัมพันธ์ รวมถึงการตรวจวิเคราะห์ทางภูมิคุ้มกัน การเปลี่ยนแปลงระดับจุลภาคในโครงสร้างของพอลิเมอร์จะปรากฏให้เห็นในรูป ของการเกิด ตะกอนซึ่งอาจใช้เพื่อช่วยในการแยกโปรตีนที่ติดอยู่จากสารละลาย
ระบบเหล่านี้ทำงานได้เมื่อโปรตีนหรือโมเลกุลอื่น ๆ ที่ต้องการแยกออกจากสารผสม เกิดการสร้างสารชีวเชื่อมต่อ (bioconjugate)กับพอลิเมอร์ และตกตะกอนพร้อมกับพอลิเมอร์เมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไป ตะกอนจะถูกกำจัดออกจากตัวกลาง ทำให้สามารถแยกส่วนประกอบที่ต้องการของสารชีวเชื่อมต่อออกจากสารผสมส่วนที่เหลือได้ การกำจัดส่วนประกอบนี้ออกจากสารชีวเชื่อมต่อขึ้นอยู่กับการกู้คืนพอลิเมอร์และการกลับคืนสู่สภาพเดิม ดังนั้นไฮโดรเจลจึงมีประโยชน์มากสำหรับกระบวนการดังกล่าว
อีกแนวทางหนึ่งในการควบคุมปฏิกิริยาทางชีวภาพโดยใช้พอลิเมอร์อัจฉริยะคือการเตรียมโปรตีนลูกผสมที่มีตำแหน่งการจับกับพอลิเมอร์ในตัวใกล้กับ ตำแหน่งการจับกับ ลิแกนด์หรือเซลล์ เทคนิคนี้ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมกิจกรรมการจับกับลิแกนด์และเซลล์ โดยอาศัยตัวกระตุ้นหลายอย่าง รวมถึงอุณหภูมิและแสง
โพลิเมอร์อัจฉริยะมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีการผลิตวัสดุปิดแผลแบบปรับตัวได้เอง วัสดุปิดแผลนี้ได้รับการออกแบบโดยใช้โพลิเมอร์สังเคราะห์อัจฉริยะที่มีคุณสมบัติในการดูดซับสูงเป็นพิเศษ ซึ่งถูกตรึงไว้ในโครงสร้างเส้นใยสามมิติ พร้อมด้วยคุณสมบัติในการให้ความชุ่มชื้นเพิ่มเติมโดยการฝังไฮโดรเจลไว้ในแกนกลางของวัสดุ
กลไกการออกฤทธิ์ของวัสดุปิดแผลอาศัยความสามารถของพอลิเมอร์ในการรับรู้และปรับตัวให้เข้ากับความชื้นและปริมาณของเหลวที่เปลี่ยนแปลงในทุกบริเวณของแผลพร้อมกัน และสลับจากการดูดซึมไปสู่การให้ความชุ่มชื้นโดยอัตโนมัติและย้อนกลับได้ การทำงานของพอลิเมอร์อัจฉริยะช่วยให้วัสดุปิดแผลตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในและรอบๆ แผลอย่างพร้อมเพรียงกัน เพื่อรักษาสภาพแวดล้อมที่ชุ่มชื้นเหมาะสมที่สุดตลอดเวลา[ 8 ] [ 9 ]
อนาคต
มีการเสนอแนะว่าอาจมีการพัฒนาโพลิเมอร์ที่สามารถเรียนรู้และแก้ไขพฤติกรรมได้ด้วยตนเองเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่านี่อาจเป็นความเป็นไปได้ในอนาคตอันไกลโพ้น แต่ก็มีแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่เป็นไปได้มากกว่าและดูเหมือนว่าจะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้ หนึ่งในนั้นคือแนวคิดเกี่ยวกับห้องน้ำอัจฉริยะที่วิเคราะห์ปัสสาวะและช่วยระบุปัญหาสุขภาพ ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพสิ่งแวดล้อม ระบบ ชลประทานอัจฉริยะก็ได้รับการเสนอแนะเช่นกัน การมีระบบที่เปิดปิดและควบคุม ความเข้มข้น ของปุ๋ยตามความชื้น ในดิน ค่า pH และระดับสารอาหาร จะเป็นประโยชน์อย่างมาก นอกจากนี้ ยังมีการวิจัยเกี่ยว กับวิธีการสร้างสรรค์มากมายสำหรับระบบการส่งยาแบบกำหนดเป้าหมายที่ควบคุมตนเองตาม สภาพแวดล้อม ของเซลล์ เฉพาะนั้นๆ
การใช้โพลิเมอร์อัจฉริยะในด้านชีวการแพทย์ นั้นมีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้หลายประการ ปัญหา ที่น่ากังวลที่สุดคือความเป็นไปได้ที่จะเกิดความเป็นพิษหรือความไม่เข้ากันของสารสังเคราะห์ในร่างกาย รวมถึงผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวและผลพลอยได้อย่างไรก็ตาม โพลิเมอร์อัจฉริยะมีศักยภาพมหาศาลในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ หากสามารถเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ได้