پلی یورتان : کوپلیمری پرکاربرد

آزاده آصف نژاد

دانشجوی دکترای مهندسی پزشکی – بیومواد دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات
  الاستومرهای پلی یورتانی، خانواده‌ای از کوپلیمرهای توده‌ای بخش شده است که کاربردهای مهمی در زمینه‌های گوناگون صنعتی و پزشکی پیدا کرده است. اولین پلی یورتان، از واکنش دی‌ایزوسیانات آلیفاتیک با دی‌آمین به‌دست آمد. اتو بایر و همکارانش اولین بار این  پلی‌یورتان را معرفی نمودندکه به شدت آبدوست بود و بنابراین به عنوان پلاستیک یا فیبر نمی‌توانست مورد استفاده قرار گیرد. واکنش بین دی‌ایزوسیانات‌های آلیفاتیک و گلیکول‌ها منجر به تولید پلی یورتانی با خصوصیات پلاستیکی و فیبری گردید. به دنبال آن، با استفاده از دی‌ایزوسیانات آروماتیک و گلیکول‌های با وزن مولکولی بسیار بالا، پلی‌ یورتانی به‌دست آمد که خانواده مهمی از الاستومرهای ترموپلاستیک به شمار می‌رود.

خواص یورتانها از مواد ترموست بسیار سخت تا الاستومرهای نرم تغییر می‌کند. از پلی یورتانهای ترموپلاستیک، در ساخت وسایل قابل کاشت بسیار مهمی استفاده می‌شود، چرا که دارای خواص مکانیکی خوب نظیر استحکام کششی، چقرمگی، مقاومت به سایش و مقاومت به تخریب شدن، به علاوه زیست سازگاری خوب می‌باشند که آنها را در گروه مواد مناسب جهت کاربردهای پزشکی قرار می‌دهد.
کاربردهای پلی یورتان‌ها
با استفاده از پلی اترها به عنوان پلی‌ال،  در سنتز پلی یورتان می‌توان کاشتنی‌های طولانی مدت تهیه نمود، که در قلب مصنوعی، کلیه مصنوعی، ریه مصنوعی، هموپرفیوژن،  لوزالمعده مصنوعی، فیلترهای خونی،  کاتترها، عروق مصنوعی، بای‌پس سرخرگ‌ها یا سیاهرگ‌‌ها، کاشتنی‌های دندان و لثه، بیماریهای ادراری، ترمیم زخم، رساندن یا خارج کردن مایعات، نمایش فشار عروق، آنژیوپلاستی، مسدود کردن عروق، جراحی عروق آئورت و کرونری، دریچه‌های قلب ‌سه‌لتی و دولتی  کاربرد دارند.
در صورتی که از پلی اترها به عنوان پلی‌ال،  در سنتز پلی یورتان استفاده شود، پلی یورتان‌های زیست تخریب پذیر مدت تهیه می‌شود که به طور مثال در کانال هدایت بازسازی عصب، ساختارهای قلبی –عروقی، بازسازی غضروف مفصل ومنیسک زانو، برای تعویض وجایگزینی استخوان اسفنجی، در سیستم‌های رهایش کنترول شده دارو و برای ترمیم پوست  کاربرد دارد. شکل (1) برخی از وسایل و ایمپلنت‌های پلی‌یورتانی مورد استفاده در پزشکی را نشان می‌دهد.

تاثیر ساختار شیمیایی  و مورفولوژی سطح روی خون سازگاری پلی یورتان
در اواخر سال 1980 تعدادی از دانشمندان، شیمی، ساختار و مورفولوژی سطح پلی‌یورتان‌ها را مورد بررسی قرار دادند و به تدریج روش‌های جدید پوشش دهی سطح به‌همراه پیوندهای مواد دیگر به سطح پلی‌یورتان‌ها،  با هدف بهبود خونسازگاری ابداع شد. در سالهای اخیر، ترکیب شیمیایی پلی‌یورتان‌ها جهت بهبود خونسازگاری با تغییرات بسیار زیادی همراه شده است. از جمله این موارد سنتز پلی‌یورتان یا پلی‌یورتان ِیورا با قسمت‌های نرم آبدوست است.
 «Cooper»، نیز در مورد ارتباط بین شیمی پلی‌ال‌ها و خون‌سازگاری پلی‌یورتانها، تحقیقاتی را برروی نمونه‌های مختلف پلی‌یورتانها با پلی‌ال‌های متفاوت نظیر PEO، PTMO، PBD (پلی‌بوتادین) و PDMS انجام داد.  این پلی‌یورتان‌ها به روش پلیمریزاسیون دو مرحله‌ای تهیه شدند و بر روی لوله‌‌های پلی‌اتیلنی پوشش‌دهی شده و سپس درون بدن سگ قرار گرفتند تا پاسخ لخته‌زایی آنها مشخص گردد. پلی‌یورتان با پلی‌ال PDMS  کمترین لخته‌زایی را نسبت به نمونه‌های دیگر نشان داد. طبیعت آبگریز PDMS باعث بهبود آبگریزی سطح پلی‌یورتان پایه PDMS و در نتیجه توجیهی برای بهبود خون‌سازگاری آن نسبت به سایر موارد می‌شود و میزان چسبندگی اولیه پلاکت‌ها با افزایش آبدوستی پلی‌ال‌ها افزایش می‌یابد. بنابراین باید گفت که خون‌سازگاری پلی‌یورتان‌ها بستگی زیادی به ترکیبات سازنده آن و عوامل مختلف نظیر جداسازی میکروفازها، ناهمگنی سطح و آبدوستی سطح خواهد داشت.
استفاده از سولفونات یا پوشش‌هایی نظیر هپارین در تغییر پاسخ خون به این مواد نقش بسیار عمده‌ای را ایفا می‌کنند. محققی به نام Santerre   [55]، پلی‌یورتان‌هایی را بر پایه سولفونات سنتز نمود که دارای گروه‌های مختلف سولفور(3.1 % - 1.4%)   بود. در نمونه‌های با گروه‌های سولفونات بیشتر زمان لخته‌زایی افزایش یافت.

<**ادامه مطلب...**>
روشهای بهبود خواص سطحی پلی‌یورتانها
با توجه به اینکه خونسازگاری یک بیومتریال بستگی مستقیم به شیمی سطح آن دارد، تغییر در وضعیت سطحی کمک بسیار زیادی در حل مشکلات خون‌سازگاری خواهد نمود. از جمله موادی که در این مورد نتایج و رضایت بخشی را در بهبود خونسازگاری نشان داده‌اند، ‌می‌توان به سولفونات پلی‌اتر یورتان، پیوند سطح اکریل آمید و دی اکریل آمید با پلی‌اتر یورتان، اتصال فسفوریل کولین به سطح پلی‌اتر یورتان با استفاده از  پرتو UV  و پیوند پروپیل سولفات – پروپیلن اکساید (PEO-SO3)، اشاره نمود.
در سالهای اخیر محققان زیادی برای افزایش بهبود خونسازگاری بیومتریال‌ها از پیوند هپارین به سطح آنها استفاده نموده‌اند که نتایج رضایت‌بخشی نیز به همراه داشته است. یکی از مهمترین مشکلات در این راه،  پیوند یونی هپارین (surfaces bearing ionically bound heparin  ) به سطح پلی‌یورتان است. هپارین می‌تواند بصورت کووالانی  با  گروههای آمین یا هیدروکسیل آزاد ایزوسیانات پیوند برقرار سازد.  در بین تمام روشهایی که باعث تثبیت هپارین ‌می‌شود، موثرترین روش استفاده از تابش اکسیژن پلاسمای یونیزه شده است که باعث پیوند با پلیمر ‌می‌شود.
نتایج خونسازگاری حاصل از هپارینیزه شدن پلی‌یورتان‌،  نشانگر فعالیت کمتر پلاکتها و پروتئین‌های پلاسما است که منجر به کاهش تشکیل لخته خون می‌شود. همچنین چسبندگی سلولهای تک هسته‌ای و ترشح فاکتور نکروز تومور در تماس با پلی‌یورتان هپارینیزه شده کمتر گزارش شده است. از دیگر راههایی که ‌می‌توان بدون استفاده از پوشش‌های هپارینی به یک پلی‌یورتان خون سازگار دست یافت، پوشش دهی یا تثبیت شیمیایی داروهای ضد لخته زا یا مولکولهایی نظیر مشتقات Urookinase ، Prostacyclin، ADPase، Dipyridamol، Glucose و اتمهای نقره گزارش شده است.
 پلی‌یورتان‌های دارای گروه‌های سولفونات، لخته زایی بسیار کمی نسبت به پلی‌یورتان‌های معمولی داشت. پلی‌یورتان‌های سولفونات شده ترومبین (آنزیم مؤثر برای ایجاد لخته) را مصرف کرده و بر پلیمریزه شدن فیبرینوژن تأثیر مستقیم می‌گذارد.
 ایجاد پیوند کووانسی پپتید Arg-Gly-Asp (RGD)،  با ستون اصلی پلیمر نیز یکی دیگر از روش‌های بهبود خواص خون‌سازگاری پلی‌یورتان‌ها است که در نتیجه چسبندگی سلول‌های اندوتلیال به سطح پلیمر افزایش می‌یابد.

تخریب پلی یورتان‌ها
  همه پلیمرها امکان تخریب دارد و پلی یورتان‌ها نیز از این قاعده مستثنی نیست جهت جلوگیری از تخریب پلی یورتان‌ها روش‌‌های مختلفی وجود دارد. که شامل هیدرولیز، فتولیز، سلولیز، تومولیز، پیرولیز (تجزیه در اثر حرارت) وتخریب بیولوژیک، ترک بر اثر استرس محیطی،  اکسید شدن و تخریب بوسیله میکروب و قارچها می‌شود.
در حالت بیولوژیک تنش محیطی باعث ایجاد ترک می‌شود که در نهایت شکست ممکن است به‌وجود آید و باعث ایجاد تخریب سطحی ویژه در پلیمر شود. آنزیم‌ها نیز می‌توانند باعث تخریب پلی یورتان‌ها  شود. تخریب میکروبی، یک واکنش تجزیه شیمیایی است که به‌وسیله حمله میکرو ارگانیسم‌ها صورت می‌گیرد.  آنزیم‌ها و قارچ‌ها نیز ممکن است  پلی یورتان‌ها را تخریب کند.
پیوندهای مستعد برای تخریب هیدرولیتیک در پلی یورتان‌ها، پیوندهای استری و یورتانی است. استرها به اسید و الکل تجزیه می‌شود و پیوندهای یورتانی در نتیجه تخریب شدن به کربامیک اسید و الکل هیدرولیز می‌شود.
ترکیبات مسئول تخریب پلیمرها در بدن شامل آب، نمک، پراکسیدها و آنزیمها است.  به‌طور کلی مولکولهایی مانند  ویتامین‌ها و رادیکالهای آزاد باعث تسریع کردن تخریب می‌شود. اگر پلی یورتان هیدروفوب باشد تخریب معمولاً در سطح مواد انجام می‌شود. اگر پلی یورتان‌ها هیدروفیل باشد، آب در توده پلیمر وارد شده و تخریب در سرتاسر ماده اتفاق می‌افتد. تخریب پلیمر در مایع  Media ( پلاسما و بافت ) به طورکلی شامل مراحل زیر است.
1) جذب مدیا در سطح پلیمر،
2) جذب مدیا به توده پلیمر،
3) واکنشهای شیمایی با پیوندهای ناپایدار در پلیمر و
4) نقل و انتقال تولیدات تخریب از ماتریکس پلیمر و جذب سطحی محصولات تخریب از سطح پلیمر.

تاثیر آبدوستی بر  میزان تخریب پلی یورتان‌های
 یکی از مشکلات اصلی کاشت پلی یورتان‌ها در حالت vivo  in تمایل آنها برای آهکی شدن و تخریب شدن است. اکثر ایمپلنت‌های پلی یورتانی  در حالت in vivoاز طریق هیدرولیز تخریب می‌شود.
الاستومرهای زیست تخریب پذیردر ایمپلنت‌های قلبی و عروقی، داربستها برای مهندسی بافت، ترمیم غضروف مفصل، پوست مصنوعی و درتعویض و جانشینی پیوند استخوان اسفنجی استفاده می‌شود.
    مواد هیدروفیل مانند هیدروژل‌ها، به عنوان سدی برای چسبندگی بافت‌ها استفاده می‌شود. موادی با هیدروفیلی کم، باعث چسبندگی تکثیر سلول‌ها می‌شود که برای داربستهای مهندسی بافت مناسب است.

واکنش  پلی یورتان زیست تخریب پذیر با استئوبلاست‌ها و کندروسیت‌ها و ماکروفاژها
 کاربرد  پلیمرهای زیست تخریب پذیر به عنوان یکی از پیشرفت‌های عمده در تحقیقات مواد درپزشکی مطرح است. مواد زیست تخریب پذیرکاربردهای بی‌شماری در پزشکی و جراحی دارند واین  مواد طوری طراحی شده است که در حالت in vivo تخریب شود.
 تصور کلی از زیست سازگاری بر اساس واکنش میان یک ماده و محیط بیولوژیک است. واکنش بافت‌ها و سلول‌ها در خیلی از موارد بوسیله پاسخ التهابی مشخص می‌شود.
   در مهندسی بافت از ماتریس‌ها و داربستهای زیست تخریب‌پذیر پلیمری به عنوان حامل سلول برای بازسازی بافت‌های معیوب استفاده می‌شود. به‌طور کلی،  ایمپلنت‌ها نباید باعث پاسخ غیرعادی در بافت‌ها و  باعث تولید مواد سمی یا تأثیرات سرطان زائی در بافت شوند. در تحقیقات  جدید،  پلی یورتان‌های زیست تخریب پذیر زیست سازگاری مطلوبی از خود نشان می‌دهد.
این پلی یورتان‌ها هر چند که باعث فعال شدن ماکروفاژها می‌شود ولی تأثیرات سمی و سرطان زائی در بدن ندارد. در تحقیقات  in vivo، فوم پلی یورتان زیست تخریب پذیر،زیست سازگاری مطلوبی را از خود نشان داده است.
 در یک تحقیق جدید،  جهت ارزیابی  زیست سازگاری از  فوم پلی استر پلی یورتان  زیست تخریب پذیر  با  سایز  سوراخها  100-400 m استفاده شده و واکنش کندروسیت‌های  و سلول‌های  استئوبلاست  موش [line Mc3T3-E1] با فوم پلی یورتان زیست تخریب پذیر( Degrapol -foam)  مورد بررسی قرار گرفته شده است پاسخ سلولی که  شامل: رشد، فعالیت سلول‌ها و پاسخ سلولی استئوبلاست‌ها و ماکروفاژها به محصولات تخریب  در نظر گرفته شد. سلول‌های استئوبلاست‌ها و کندرویست‌ها از موش‌های صحرایی نر بالغ جدا شده بود.
جهت سنتز این کوپلیمر نیز مقدار برابر از PHB– دی‌ال و پلی کاپرولاکتون دی‌ال در 1 و2 دی کلرو اتیلن حل شده  وبه صورت آزئوتروپیکالی به‌وسیله برگشت حلال تحت نیتروژن خشک، سنتز شد.  این پلی استریورتان، یک بخش آمورف و یک بخش کریستالی دارد و همچنین دی ال با PHB تشکیل حوزه‌های کریستالی  می‌دهد و دی ال با پلی کاپر.لاکتون تشکیل حوزه‌های آمورف می‌دهد.
   پس از کشت سلولی، اسکن به‌وسیله میکروسکوپ الکترونی ( SEM) نشان می‌دهد که سلول‌ها در سطح و داخل حفره‌های فوم رشد می‌کند و سلول‌هایی که در سطح فوم دیده می‌شود و به صورت یک نمایش سلولی مسطح و  چند لایه سلول متلاقی، دیده می‌شود.
نتایج به‌دست آمده نشانگر این مطلب است که استئوبلاست‌ها و ماکروفاژها  توانایی  بیگانه خواری و فاگوسیتوز محصولات تخریب  را  دارندو محصولات تخریب در غلظت کم، تأثیری در رشد و عملکرد استئوبلاست‌ها نمی گذارد. به‌طور کلی کندروسیت‌ها و استئوبلاست‌ها در فوم زیست تخریب پذیر تکثیر یافت و فنوتیب‌شان را  نگاه داشت.  این مطلب نشان می‌دهد که این داربستها برای مراحل ترمیم استخوان مفید است.

شکل (1): برخی از وسایل و ایمپلنت‌های پلی یورتانی مورد استفاده در پزشکی
شکل (2) اسکفولد پلی یورتان حامل سلول‌های استئوبلاست
شکل (3) فوم  Degrapol

تغییر رمز
[عناوین آرشیوشده]