پلی یورتان : کوپلیمری پرکاربرد

الاستومرهای پلی یورتانی، خانواده‌ای از كوپلیمرهای توده‌ای بخش شده است كه كاربردهای مهمی در زمینه‌های گوناگون صنعتی و پزشكی پیدا كرده است. اولین پلی یورتان، از واكنش دی‌ایزوسیانات آلیفاتیك با دی‌آمین به‌دست آمد. اتو بایر و همكارانش اولین بار این پلی‌یورتان را معرفی نمودندکه به شدت آبدوست بود و بنابراین به عنوان پلاستیك یا فیبر نمی‌توانست مورد استفاده قرار گیرد. واكنش بین دی‌ایزوسیانات‌های آلیفاتیك و گلیكول‌ها منجر به تولید پلی یورتانی با خصوصیات پلاستیكی و فیبری گردید. به دنبال آن، با استفاده از دی‌ایزوسیانات آروماتیك و گلیكول‌های با وزن مولكولی بسیار بالا، پلی‌ یورتانی به‌دست آمد كه خانواده مهمی از الاستومرهای ترموپلاستیك به شمار می‌رود.
خواص یورتانها از مواد ترموست بسیار سخت تا الاستومرهای نرم تغییر می‌كند. از پلی یورتانهای ترموپلاستیك، در ساخت وسایل قابل كاشت بسیار مهمی استفاده می‌شود، چرا كه دارای خواص مكانیكی خوب نظیر استحكام كششی، چقرمگی، مقاومت به سایش و مقاومت به تخریب شدن، به علاوه زیست سازگاری خوب می‌باشند كه آنها را در گروه مواد مناسب جهت كاربردهای پزشكی قرار می‌دهد.
● كاربردهای پلی یورتان‌ها
با استفاده از پلی اترها به عنوان پلی‌ال، در سنتز پلی یورتان می‌توان كاشتنی‌های طولانی مدت تهیه نمود، كه 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 كردن مایعات، نمایش فشار عروق، آنژیوپلاستی، مسدود کردن عروق، جراحی عروق آئورت و كرونری، دریچه‌های قلب ‌سه‌لتی و دولتی كاربرد دارند.
در صورتی كه از پلی اترها به عنوان پلی‌ال، در سنتز پلی یورتان استفاده شود، پلی یورتان‌های زیست تخریب پذیر مدت تهیه می‌شود كه 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 كاربرد دارد.
● تاثیر ساختار شیمیایی و مورفولوژی سطح روی خون سازگاری پلی یورتان
در اواخر سال ۱۹۸۰ 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 [۵۵]، پلی‌یورتان‌هایی را بر پایه سولفونات سنتز نمود که دارای گروه‌های مختلف سولفور(۳.۱ % - ۱.۴%) بود. در نمونه‌های با گروه‌های سولفونات بیشتر زمان لخته‌زایی افزایش یافت.
● 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-SO۳)، اشاره نمود.
در سالهای اخیر محققان زیادی برای افزایش بهبود خونسازگاری بیومتریال‌ها از پیوند هپارین به سطح آنها استفاده نموده‌اند كه 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 كه در نتیجه چسبندگی سلول‌های اندوتلیال به سطح پلیمر افزایش می‌یابد.
● تخریب پلی یورتان‌ها
همه پلیمرها امكان تخریب دارد و پلی یورتان‌ها نیز از این قاعده مستثنی نیست جهت جلوگیری از تخریب پلی یورتان‌ها روش‌‌های مختلفی وجود دارد. كه شامل هیدرولیز، فتولیز، سلولیز، تومولیز، پیرولیز (تجزیه در اثر حرارت) وتخریب بیولوژیك، ترك بر اثر استرس محیطی، اكسید شدن و تخریب بوسیله میكروب و قارچها می‌شود.
در حالت بیولوژیك تنش محیطی باعث ایجاد ترك می‌شود كه در نهایت شكست ممكن است به‌وجود آید و باعث ایجاد تخریب سطحی ویژه در پلیمر شود. آنزیم‌ها نیز می‌توانند باعث تخریب پلی یورتان‌ها شود. تخریب میكروبی، یك واكنش تجزیه شیمیایی است كه به‌وسیله حمله میكرو ارگانیسم‌ها صورت می‌گیرد. آنزیم‌ها و قارچ‌ها نیز ممكن است پلی یورتان‌ها را تخریب كند.
پیوندهای مستعد برای تخریب هیدرولیتیك در پلی یورتان‌ها، پیوندهای استری و یورتانی است. استرها به اسید و الكل تجزیه می‌شود و پیوندهای یورتانی در نتیجه تخریب شدن به كربامیك اسید و الكل هیدرولیز می‌شود.
تركیبات مسئول تخریب پلیمرها در بدن شامل آب، نمك، پراكسیدها و آنزیمها است. به‌طور كلی مولكولهایی مانند ویتامین‌ها و رادیكالهای آزاد باعث تسریع كردن 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 طوركلی شامل مراحل زیر است.
۱) جذب مدیا در سطح پلیمر،
۲) جذب مدیا به توده پلیمر،
۳) واكنشهای شیمایی با پیوندهای ناپایدار در پلیمر و
۴) نقل و انتقال تولیدات تخریب از ماتریكس پلیمر و جذب سطحی محصولات تخریب از سطح پلیمر.
● تاثیر آبدوستی بر میزان تخریب پلی یورتان‌های
یكی از مشكلات اصلی كاشت پلی یورتان‌ها در حالت vivo in تمایل آنها برای آهكی شدن و تخریب شدن است. اكثر 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 كم، باعث چسبندگی تكثیر سلول‌ها می‌شود كه برای داربستهای مهندسی بافت مناسب است.
● واكنش پلی یورتان زیست تخریب پذیر با استئوبلاست‌ها و كندروسیت‌ها و ماكروفاژها
كاربرد پلیمرهای زیست تخریب پذیر به عنوان یكی از پیشرفت‌های عمده در تحقیقات مواد درپزشكی مطرح است. مواد زیست تخریب پذیركاربردهای بی‌شماری در پزشكی و جراحی دارند واین مواد طوری طراحی شده است كه در حالت in vivo تخریب شود.
تصور كلی از زیست سازگاری بر اساس واكنش میان یك ماده و محیط بیولوژیك است. واكنش 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 كلی، 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 كه باعث فعال شدن ماكروفاژها 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 یك تحقیق جدید، جهت ارزیابی زیست سازگاری از فوم پلی استر پلی یورتان زیست تخریب پذیر با سایز سوراخها ۱۰۰-۴۰۰ m استفاده شده و واكنش كندروسیت‌های و سلول‌های استئوبلاست موش [line Mc۳T۳-E۱] 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 ماكروفاژها به محصولات تخریب در نظر گرفته شد. سلول‌های استئوبلاست‌ها و كندرویست‌ها از موش‌های صحرایی نر بالغ جدا شده بود.
جهت سنتز این كوپلیمر نیز مقدار برابر از PHB– دی‌ال و پلی کاپرولاکتون دی‌ال در ۱ و۲ دی كلرو اتیلن حل شده وبه صورت آزئوتروپیكالی به‌وسیله برگشت حلال تحت نیتروژن خشك، سنتز شد. این پلی استریورتان، یك بخش آمورف و یك بخش كریستالی دارد و همچنین دی ال با PHB تشكیل حوزه‌های كریستالی می‌دهد و دی ال با پلی كاپر.لاكتون تشكیل حوزه‌های آمورف می‌دهد.
پس از كشت سلولی، اسكن به‌وسیله میكروسكوپ الكترونی ( SEM) نشان می‌دهد كه سلول‌ها در سطح و داخل حفره‌های فوم رشد می‌كند و سلول‌هایی كه در سطح فوم دیده می‌شود و به صورت یك نمایش سلولی مسطح و چند لایه سلول متلاقی، دیده می‌شود.
نتایج به‌دست آمده نشانگر این مطلب است كه استئوبلاست‌ها و ماكروفاژها توانایی بیگانه خواری و فاگوسیتوز محصولات تخریب را دارندو محصولات تخریب در غلظت كم، تأثیری در رشد و عملكرد استئوبلاست‌ها نمی گذارد. به‌طور كلی كندروسیت‌ها و استئوبلاست‌ها در فوم زیست تخریب پذیر تكثیر یافت و فنوتیب‌شان را نگاه داشت. این مطلب نشان می‌دهد كه این داربستها برای مراحل ترمیم استخوان مفید است.

نویسنده: دکتر فریبا اورنگ -آزاده آصف نژاد
آزاده آصف نژاد
[e-mail]
دانشجوی دکترای مهندسی پزشکی – بیومواد دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی