استخدامات البوليمرات في الطب

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 مجال الطب، توفر البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي إمكانات كبيرة لإيصال الدواء وتحكم فيه (مثل المواد اللاصقة والخيوط والشبكات الجراحية)، وتستخدم أيضا في أجهزة تقويم العظام (مثل البراغي والمسامير والقضبان) وتطبيقات طب الأسنان (مثل الحشو بعد قلع الأسنان) وهندسة الأنسجة. وتم استخدام البوليمرات الاصطناعية القابلة للتحلل منذ عدة عقود، ومنذ ذلك الحين كانت محور الكثير من الأبحاث؛ لأن المتطلبات المطلوبة معقدة للغاية. يجب أن يكون البوليمر متوافقا حيويا وأن يتجنب إثارة التهاب، وأن يكون لديه خصائص ميكانيكية ومعالجة مناسبة. كما يجب على منتجات التحلل أن تكون غير ضارة وأن يتم إمتصاصها بسهولة أو إفرازها. لذلك، من المهم اختبار كل مادة جيدا قبل استخدامها في جسم الإنسان، ليس فقط في المختبر ولكن في الجسم الحي أيضا .

: بسبب تغير المتطلبات، فإنه لا يوجد بوليمر مثالي للاستخدام في الطب، ويتم حاليا تطوير مواد جديدة يجب أن تمتلك الخواص المطلوبة لأغراض محددة بشكل كبير، حيث أن المواد المتاحة ليست جيدة بما فيه الكفاية من حيث الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحيوية أو التدهور، وبسبب استمرار ظهور تحديات جديدة، فإن تطوير مواد حيوية جديدة يظل موضوعا شائعا، وبالإضافة إلى ذلك، يتم تطوير تقنيات المعالجة أيضا، وعادة ما يتم ذلك باستخدام الحواسيب. وعلى الرغم من مزايا البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي المستخدمة في الطب، مثل الإصلاح الفسيولوجي الأسهل والأقل تدخلا أو إمكانية نمو الأنسجة، إلا أن هناك مشاكل إشكالية، ويمكن أن تكون منتجات التحلل (المونومرات والإضافات) سامة وصعبة التعقيم .

المواد البوليمرية الطبيعية والصناعية

تم استخدام المواد البوليمرية الطبيعية مثل القنب واللك والعنبر والصوف والحرير والمطاط الطبيعي منذ قرون، وهناك مجموعة متنوعة من البوليمرات الطبيعية الأخرى، مثل السليلوز، وهي المكون الرئيسي للخشب والورق، وتشمل قائمة البوليمرات الاصطناعية التي يتم ترتيبها وفقا للطلب العالمي تقريبا البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليستيرين وكلوريد البوليفينيل والمطاط الاصطناعي وراتنج الفينول فورمالدهايد (باكيليت) والنيوبرين والنايلون والبولي أكريلونيتريل وكلوريد البولي فينيل والسيليكا وغيرها الكثير، ويتم إنتاج أكثر من 330 مليون طن من هذه البوليمرات سنويا  .

أكثر البوليمرات شيوعا هي تلك التي تتكون أساسا من ذرات الكربون، مثل البولي إيثيلين (المعروف أيضا باسم البوليثين)، حيث تتكون وحدته المكررة من المونومر الإيثيلين، وهناك العديد من الهياكل الأخرى المتاحة، على سبيل المثال، تحتوي بعض المواد الشائعة على عناصر مثل السيليكون التي تشكل موادا مألوفة مثل السيليكون، ومن الأمثلة على ذلك Silly Putty ومانع تسرب السباكة المقاوم للماء، كما يوجد الأكسجين بشكل شائع أيضا في البوليمرات مثل البوليثين جليكول والسكريات (في الروابط الجليكوسيدية) والحمض النووي (في الروابط الفسفودايستر) .

التخليق البيولوجي للبوليمرات

يوجد ثلاث فئات رئيسية من البوليمرات الحيوية وهي السكريات والببتيدات والبنوكليوتيدات، ويتم تصنيعها في الخلايا الحية باستخدام الإنزيمات مثل بوليميراز الحمض النووي التي تساعد في تكوين الحمض النووي المحفز، وتشمل تخليق البروتينات عمليات متعددة بوساطة الإنزيمات لنقل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي وترجمتها لتصنيع البروتينات المحددة من الأحماض الأمينية. كما يمكن تعديل البروتين بعد الترجمة لتوفير البنية المناسبة والوظيفية. وهناك بوليمرات حيوية أخرى مثل المطاط والسوبرين والميلانين واللجنين .

تعديل البوليمرات الطبيعية

كانت المواد البوليمرية الطبيعية مثل القطن والنشا والمطاط مألوفة لسنوات قبل ظهور المواد البوليمرية الاصطناعية مثل البوليثين والبرسبيكس في السوق. ويتم تصنيع العديد من المواد البوليمرية ذات الأهمية التجارية عن طريق التعديل الكيميائي للمواد البوليمرية الطبيعية. 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 المواد البوليمرية الأكسدة والربط المتقاطع والنهاية .

أصبح فصل الغاز عن طريق الأغشية ذو أهمية كبيرة في صناعة البوليمرات، خاصة في صناعة البتروكيماويات. وأصبح تشغيل وحدة فصل الغاز أمرا مستقرا نسبيا الآن. ويعتبر إزالة البوليمرات ضرورية لتهيئتها لعملية البثق والتشكيل، مما يسهم في زيادة السلامة والحفاظ على البيئة وجودة المنتج. وعموما يتم استخدام النيتروجين لهذا الغرض، مما ينتج غاز تنفيس يتكون أساسا من المونومرات والنيتروجين .

معامل يونغ

تحدد مرونة البوليمر معامل يونغ، ويتم تعريفه بالنسبة للسلالات الصغيرة على أنه نسبة تغير الضغط إلى الإجهاد مثل قوة الشد، وهذا المفهوم مهم جدا في تطبيقات البوليمر التي تنطوي على الخصائص الفيزيائية للبوليمرات مثل أشرطة المطاط. ويعتمد المعامل بشدة على درجة الحرارة، وتصف اللزوجة استجابة مرنة معقدة تعتمد على الزمن وتتجلى في تباطؤ المنحنى الإجهادي عند إزالة الحمل. يقوم التحليل الميكانيكي الديناميكي أو DMA بقياس هذا المعامل المركب من خلال تطبيق حمل الاهتزاز وقياس الضغط الناتج كدالة للوقت .