سيكون الطب الحديث مستحيلا دون تطبيق مواد طبيعية أو اصطناعية مختلفة، ومن بينها تلعب البوليمرات الطبيعية منها والصناعية دورا رئيسيا، والغرض من بعضهم هو البقاء في الجسم إلى الأبد، ولكن البعض الآخر مخصص فقط للاستخدام المؤقت، وتاريخيا كان لابد من إزالتها أو إخراجها من الجسم، ويمكن الآن تجنب هذه الخطوة إذا تم استخدام مواد قابلة للتحلل، وبعد أن يخدموا غرضهم ينهارون ويمتصهم الجسم .
البوليمرات في الطب
في الطب توفر البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي إمكانات كبيرة لإيصال الدواء وتسيطر عليه (مثل المواد اللاصقة والخيوط والشبكات الجراحية)، وأجهزة تقويم العظام (البراغي والمسامير والقضبان)، وتطبيقات طب الأسنان (الحشو بعد قلع الأسنان) وهندسة الأنسجة، فقط على سبيل المثال الأكثر أهمية، وبدأ تطبيق البوليمرات الاصطناعية القابلة للتحلل منذ عدة عقود ومنذ ذلك الحين كان محور الكثير من الأبحاث، وهذا لأن المتطلبات معقدة للغاية، ويجب أن يكون البوليمر متوافقا حيوانيا وليس لاستحضار استجابة التهابية، ويجب أن يكون له خصائص ميكانيكية ومعالجة مناسبة، علاوة على ذلك لا يمكن أن تكون منتجات التحلل ضارة ويجب إعادة امتصاصها بسهولة أو إفرازها، ولهذه الأسباب من المهم اختبار كل مادة بشكل كاف قبل استخدامها في جسم الإنسان، ليس فقط في المختبر ولكن في الجسم الحي أيضا .
وبما أن المتطلبات متغيرة لا يوجد بوليمر مثالي للاستخدام في الطب، وحاليا يتم تطوير مواد جديدة يجب أن تمتلك الخواص المطلوبة لأغراض محددة للغاية، لأن المواد الموجودة ليست جيدة بما فيه الكفاية من وجهة نظر الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحيوية أو التدهور، ونظرا لاستمرار ظهور تحديات جديدة يظل تطوير مواد حيوية جديدة موضوعا شائعا، علاوة على ذلك بجانب المواد يتم أيضا تطوير تقنيات المعالجة، وغالبا بفضل استغلال الكمبيوتر، وبصرف النظر عن مزايا البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي المستخدمة في الطب مثل الإصلاح الفسيولوجي الأسهل والأقل تدخلا أو إمكانية نمو الأنسجة، لا تزال هناك مشاكل إشكالية، ويمكن أن تكون منتجات التحلل (المونومرات والإضافات) سامة وقد يكون التعقيم صعبا .
المواد البوليمرية الطبيعية والصناعية
المواد البوليمرية الطبيعية مثل القنب، اللك، العنبر، الصوف ، الحرير والمطاط الطبيعي استخدمت منذ قرون، وتوجد مجموعة متنوعة من البوليمرات الطبيعية الأخرى، مثل السليلوز ، وهو المكون الرئيسي للخشب والورق، وتشتمل قائمة البوليمرات الاصطناعية وفقا لترتيب الطلب العالمي تقريبا على البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليسترين وكلوريد البوليفينيل والمطاط الصناعي وراتنج الفينول فورمالدهايد (أو باكيليت) والنيوبرين، والنايلون والبولي أكريلونيتريل والبولي فينيل كلورايد والسيليكا والكثير غيرها، ويتم صنع أكثر من 330 مليون طن من هذه البوليمرات كل عام .
والأكثر شيوعا هو أن العمود الفقري المتصل باستمرار للبوليمر المستخدم في تحضير البلاستيك يتكون أساسا من ذرات الكربون، ومثال بسيط هو البولي إيثيلين (“البوليثين” باللغة الإنجليزية البريطانية) حيث تعتمد وحدته المكررة على مونومر الإيثيلين، والعديد من الهياكل الأخرى موجودة وعلى سبيل المثال تشكل عناصر مثل السيليكون مواد مألوفة مثل السيلكون، ومن الأمثلة على ذلك Silly Putty و مانع تسرب السباكة المقاوم للماء، ويوجد الأكسجين أيضا بشكل شائع في العمود الفقري للبوليمر مثل البوليثين جليكول والسكريات (في روابط الجليكوسيدية)، والحمض النووي (في روابط فسفودايستر) .
التخليق البيولوجي للبوليمرات
هناك ثلاث فئات رئيسية من البوليمرات الحيوية السكريات ، والببتيد ، والبنوكليوتيدات، وفي الخلايا الحية يمكن تصنيعها عن طريق عمليات الإنزيم بوساطة، مثل تكوين الحمض النووي المحفز بواسطة بوليميريز الحمض النووي، ويتضمن تخليق البروتينات عمليات متعددة بوساطة الإنزيم لنقل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي، ومن ثم ترجمة هذه المعلومات لتوليف البروتين المحدد من الأحماض الأمينية، ويمكن تعديل البروتين بشكل إضافي بعد الترجمة من أجل توفير البنية المناسبة وعملها، وهناك البوليمرات الحيوية الأخرى مثل المطاط والسوبرين والميلانين واللجنين .
تعديل البوليمرات الطبيعية
كانت البوليمرات التي تحدث بشكل طبيعي مثل القطن والنشا والمطاط مواد مألوفة لسنوات قبل ظهور البوليمرات الاصطناعية مثل البوليثين والبرسبيكس في السوق، ويتم تصنيع العديد من البوليمرات ذات الأهمية التجارية عن طريق التعديل الكيميائي للبوليمرات التي تحدث بشكل طبيعي، وتشمل الأمثلة البارزة تفاعل حمض النتريك والسليلوز لتشكيل النيتروسليلوز وتشكيل المطاط المفلكن عن طريق تسخين المطاط الطبيعي في وجود الكبريت، وتشمل الطرق التي يمكن بها تعديل البوليمرات الأكسدة والربط المتقاطع والنهاية .
واكتسب فصل الغاز عن طريق الأغشية أهمية خاصة في صناعة البوليمرات خصوصا في صناعة البتروكيماويات، وأصبح الآن تشغيل وحدة راسخة نسبيا، وتعتبر عملية إزالة البوليمرات ضرورية لتلائم البوليمرات من أجل البثق والتكوير، مما يزيد من جوانب السلامة والبيئة وجودة المنتج، ويستخدم النيتروجين عموما لهذا الغرض مما ينتج عنه غاز تنفيس يتكون أساسا من المونومرات والنيتروجين .
معامل يونغ
معامل يونغ يحدد مرونة البوليمر، ويتم تعريفه بالنسبة للسلالات الصغيرة على أنه نسبة معدل تغير الضغط إلى الإجهاد مثل قوة الشد، وهذا مهم للغاية في تطبيقات البوليمر التي تنطوي على الخصائص الفيزيائية للبوليمرات، مثل أشرطة المطاط، والمعامل يعتمد بشدة على درجة الحرارة، وتصف اللزوجة استجابة مرنة معقدة تعتمد على الوقت والتي سوف تظهر التباطؤ في منحنى الإجهاد عند إزالة الحمل، ويقوم التحليل الميكانيكي الديناميكي أو DMA بقياس هذا المعامل المركب من خلال تأرجح الحمل وقياس الضغط الناتج كدالة للوقت .
البوليمرات في الطب
في الطب توفر البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي إمكانات كبيرة لإيصال الدواء وتسيطر عليه (مثل المواد اللاصقة والخيوط والشبكات الجراحية)، وأجهزة تقويم العظام (البراغي والمسامير والقضبان)، وتطبيقات طب الأسنان (الحشو بعد قلع الأسنان) وهندسة الأنسجة، فقط على سبيل المثال الأكثر أهمية، وبدأ تطبيق البوليمرات الاصطناعية القابلة للتحلل منذ عدة عقود ومنذ ذلك الحين كان محور الكثير من الأبحاث، وهذا لأن المتطلبات معقدة للغاية، ويجب أن يكون البوليمر متوافقا حيوانيا وليس لاستحضار استجابة التهابية، ويجب أن يكون له خصائص ميكانيكية ومعالجة مناسبة، علاوة على ذلك لا يمكن أن تكون منتجات التحلل ضارة ويجب إعادة امتصاصها بسهولة أو إفرازها، ولهذه الأسباب من المهم اختبار كل مادة بشكل كاف قبل استخدامها في جسم الإنسان، ليس فقط في المختبر ولكن في الجسم الحي أيضا .
وبما أن المتطلبات متغيرة لا يوجد بوليمر مثالي للاستخدام في الطب، وحاليا يتم تطوير مواد جديدة يجب أن تمتلك الخواص المطلوبة لأغراض محددة للغاية، لأن المواد الموجودة ليست جيدة بما فيه الكفاية من وجهة نظر الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحيوية أو التدهور، ونظرا لاستمرار ظهور تحديات جديدة يظل تطوير مواد حيوية جديدة موضوعا شائعا، علاوة على ذلك بجانب المواد يتم أيضا تطوير تقنيات المعالجة، وغالبا بفضل استغلال الكمبيوتر، وبصرف النظر عن مزايا البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي المستخدمة في الطب مثل الإصلاح الفسيولوجي الأسهل والأقل تدخلا أو إمكانية نمو الأنسجة، لا تزال هناك مشاكل إشكالية، ويمكن أن تكون منتجات التحلل (المونومرات والإضافات) سامة وقد يكون التعقيم صعبا .
المواد البوليمرية الطبيعية والصناعية
المواد البوليمرية الطبيعية مثل القنب، اللك، العنبر، الصوف ، الحرير والمطاط الطبيعي استخدمت منذ قرون، وتوجد مجموعة متنوعة من البوليمرات الطبيعية الأخرى، مثل السليلوز ، وهو المكون الرئيسي للخشب والورق، وتشتمل قائمة البوليمرات الاصطناعية وفقا لترتيب الطلب العالمي تقريبا على البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليسترين وكلوريد البوليفينيل والمطاط الصناعي وراتنج الفينول فورمالدهايد (أو باكيليت) والنيوبرين، والنايلون والبولي أكريلونيتريل والبولي فينيل كلورايد والسيليكا والكثير غيرها، ويتم صنع أكثر من 330 مليون طن من هذه البوليمرات كل عام .
والأكثر شيوعا هو أن العمود الفقري المتصل باستمرار للبوليمر المستخدم في تحضير البلاستيك يتكون أساسا من ذرات الكربون، ومثال بسيط هو البولي إيثيلين (“البوليثين” باللغة الإنجليزية البريطانية) حيث تعتمد وحدته المكررة على مونومر الإيثيلين، والعديد من الهياكل الأخرى موجودة وعلى سبيل المثال تشكل عناصر مثل السيليكون مواد مألوفة مثل السيلكون، ومن الأمثلة على ذلك Silly Putty و مانع تسرب السباكة المقاوم للماء، ويوجد الأكسجين أيضا بشكل شائع في العمود الفقري للبوليمر مثل البوليثين جليكول والسكريات (في روابط الجليكوسيدية)، والحمض النووي (في روابط فسفودايستر) .
التخليق البيولوجي للبوليمرات
هناك ثلاث فئات رئيسية من البوليمرات الحيوية السكريات ، والببتيد ، والبنوكليوتيدات، وفي الخلايا الحية يمكن تصنيعها عن طريق عمليات الإنزيم بوساطة، مثل تكوين الحمض النووي المحفز بواسطة بوليميريز الحمض النووي، ويتضمن تخليق البروتينات عمليات متعددة بوساطة الإنزيم لنقل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي، ومن ثم ترجمة هذه المعلومات لتوليف البروتين المحدد من الأحماض الأمينية، ويمكن تعديل البروتين بشكل إضافي بعد الترجمة من أجل توفير البنية المناسبة وعملها، وهناك البوليمرات الحيوية الأخرى مثل المطاط والسوبرين والميلانين واللجنين .
تعديل البوليمرات الطبيعية
كانت البوليمرات التي تحدث بشكل طبيعي مثل القطن والنشا والمطاط مواد مألوفة لسنوات قبل ظهور البوليمرات الاصطناعية مثل البوليثين والبرسبيكس في السوق، ويتم تصنيع العديد من البوليمرات ذات الأهمية التجارية عن طريق التعديل الكيميائي للبوليمرات التي تحدث بشكل طبيعي، وتشمل الأمثلة البارزة تفاعل حمض النتريك والسليلوز لتشكيل النيتروسليلوز وتشكيل المطاط المفلكن عن طريق تسخين المطاط الطبيعي في وجود الكبريت، وتشمل الطرق التي يمكن بها تعديل البوليمرات الأكسدة والربط المتقاطع والنهاية .
واكتسب فصل الغاز عن طريق الأغشية أهمية خاصة في صناعة البوليمرات خصوصا في صناعة البتروكيماويات، وأصبح الآن تشغيل وحدة راسخة نسبيا، وتعتبر عملية إزالة البوليمرات ضرورية لتلائم البوليمرات من أجل البثق والتكوير، مما يزيد من جوانب السلامة والبيئة وجودة المنتج، ويستخدم النيتروجين عموما لهذا الغرض مما ينتج عنه غاز تنفيس يتكون أساسا من المونومرات والنيتروجين .
معامل يونغ
معامل يونغ يحدد مرونة البوليمر، ويتم تعريفه بالنسبة للسلالات الصغيرة على أنه نسبة معدل تغير الضغط إلى الإجهاد مثل قوة الشد، وهذا مهم للغاية في تطبيقات البوليمر التي تنطوي على الخصائص الفيزيائية للبوليمرات، مثل أشرطة المطاط، والمعامل يعتمد بشدة على درجة الحرارة، وتصف اللزوجة استجابة مرنة معقدة تعتمد على الوقت والتي سوف تظهر التباطؤ في منحنى الإجهاد عند إزالة الحمل، ويقوم التحليل الميكانيكي الديناميكي أو DMA بقياس هذا المعامل المركب من خلال تأرجح الحمل وقياس الضغط الناتج كدالة للوقت .
