خلاصه پروژه مطالعه تاثیر ریز ساختار آلژینات بر روی خواص رئولوژیکی محلول های آبی آن
مقدمه کلی
مواد زیستی در واکنش به محرکها ورم میکنند، منقبض میشوند و یا تحت تأثیر و تحت پیروی از محرک محیطی از قبیل PH، دما، غلظت یونی یا در مجاورت یونهای خاص تغییر میکنند.
«پلیمر های هوشمند» دارای قابلیت رساندن دارو هستند و در فرمولهای لوازم آرایشی، کپسولسازی پروتئینی و سلولی، مهندسی بافت و تحریک کنندههای زیستی کاربرد دارند. پلی ساکارایدهای واکنش دهنده به محرکها مثل alginate در زمینههایی مثل بیوتکنولوژی و مهندسی بیوپزشکی کاربرد دارند که به دلیل ویژگیهایی از قبیل قابلیت تجزیه زیستی، قابلیت سازگاری زیستی، فراوانی در طبیعت، ساختارهای شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی منحصر به فرد میباشد.
alginate یک پلی ساکاراید خطی است از اسید munnavonic (M) و guluronic به عنوان پلیمر واکنش دهنده به محرک حساب میشود که در مجاورت کاتیون دو والنتی و چند والنتی از قبیل Ca++ در تبعیت از تغییر sol-gel تغییر میکند و در واکنش به محیط PH خارجی hydrophilicity پلیمر را تغییر میدهد. به لحاظ فیزیکی ژل alginate برای کپسولسازی استفاده میشود و سالها مورد مطالعه قرار گرفته است تا ساختار پلیمری ویژگیهای ژل آن از قبیل اندازه منفذ ثبات مکانیکی و متورم شدن آن شناسایی شود. با این وجود از آنجایی که مواد طبیعی دارای ساختار ثابتی هستند اصلاح و تغییر ویژگیهای پلیمری مثل به کارگرفتنشان محدود است. بنابراین تمایل زیادی در استفاده از این مواد و اصلاح شیمیایی ویژگیهای آن وجود دارد.
کنترل ویژگیها با alginate gel فیزیکی برای افزایش طیف ویژگیهای ژل از قبیل اندازه، ورم و ثبات مکانیکی برای کاربردهای بیولوژیکی ممکن نیست. alginate بومی ممکن است به عنوان بلوکهای ساختاری/ موادی آغازین در ساختارهای نیمه مصنوعی دستههای جدیدی از بیوپلیمرها باشد. هدف کلی این تحقیقات php ایجاد مواد زیستی جدیدی از یک پلیمر طبیعی شناخته شده با ویژگیهای جدید و کاربردهای ممکن به عنوان پروتئین و تولید ابزار کنترل شده دارویی بود. بنابراین پیشنهاد من این بود که alginate خطی به لحاظ شیمیایی با پیوند دهندههای مطقاطع آلدهید (aldehyde) دوعملکردی اصلاح میشوند و ژلهای آبکی شبکهای نیمه مصنوعی را به وجود میآورند تا کنترل ویژگیهایی که عموماً با پلیمرهای طبیعی ممکن نیست را امکانپذیر سازد. ویژگیهای فیزیکی از قبیل واکنش به PH، ورم، اندازه منفذ قابل سازگاری برای کاربردهای بیولوژیکی مختلف از قبیل رساندن بیومولکولهای فعال دارای انسولین با اندازه مولکولی به بدن از طریق دهان میباشد. آثار تحقیقاتی زیر به بازبینی ویژگیهای بنیادی پلیمر alginate و هیدروژن شبکهای دارای ویژگیهای vheological ژلی و ورمی، الگوسازی تئوریکی از تورم ژل و آخرین دستاوردهای اصلاحات شیمایی از alginate و استفاده بالقوه از ژل alginate در کاربردهای بیوپزشکی میپردازد. در بخش نتیجه و بحث، تولید پلیمر alginate شبکهای نیمه مصنوعی همراه با ویژگیهای مکانیسم واکنش سینتیکهای فرایند اصلاحات شیمیایی توصیف میشود. اطلاعات ساختاری، ثبات مکانیکی، اندازه منفذ ژل و ویژگیهای واکنش به محرک مربوط به پلیمر شبکهای تولید شده مورد مطالعه قرار گرفتند و استفاده بالقوه آن به عنوان رساننده پروتئینهای درمانی با اندازه مولکولی حاوی انسولین از طریق دهان مورد بررسی قرار گرفت.
بخشی از حوزه این تحقیق برای ارائه یک مدل ژل polyelectrolyte است که برای تخمین زدن دو پیوند دهنده متوالی مولکولی (مثل تراکم پیوند متقاطع) از ژلهای ورم کرده معین در یونهای بدون نمک یا بدون un-univalent، unibivalent، bi-valent مورد استفاده قرار میگیرد. چنین اطلاعات برای تخمین اندازه منفذ ژلی که برای طراحی مواد زیستی بخصوص در کنترل ویژگیهای انتقال محلول هیدروژلها حیاتی میباشند. اندازه منفذ هیدروژلهای alginate نیمه مصنوعی با الگوی ژلی برآورد شد و با انتشار پروتئین و ترموپرومتری مورد مقایسه قرار گرفت. با درک واکنش نیمه مصنوعی alginate، مدل ژل به دست آمده ممکن است به عنوان یک priori برای انتخاب شرایط واکنش برای کسب تراکم پیوند متقاطع مطلوب مورد استفاده قرار بگیرد و ویژگیهای پلیمری خاص را ارائه دهد.
ژل alginate شبکهای نیمه مصنوعی نشان دهنده ورم در مواد قلیای است درحالی که در مواد اسیدی تغییری نمیکند. ثابت ماندن به لحاظ مکانیکی پس از آبزدایی اضافه کردن آب در مواد یونی مختلف نشان داده شد. Alginate اصلاح شده از نظر شیمیایی ممکن است در رساندن داروهای بیواکتیو از طریق دهان کاربرد داشته باشند.
معرفی تحقیقات آینده در آخرین فصل انجام میشود که در مورد نظریه ارتقاء کاربرد هیدروژل SNAP در بسیاری از مهندسی زیستی یا کاربردهای ترمیم بافت میباشد.
مقدمه
همه alginates که به منظور کاربرد تجاری استفاده میشوند تولیدشان با برداشت محصول جلبک دریایی قهوهای آغاز میشود. با این وجود با در نظرگیری کیفیت alginate باکتریایی و تأثیر محیط مربوط به برداشت جلبک قهوهای و پردازش آن میباشد. علاوه بر این alginate با ویژگیهای کیفیتی خاص دارای این مزیت است که ممکن است به قیمت بالاتری به فروش برسد و این امر منجر به باز شدن بازار جدید به سوی این پلیمر باشد.
چندین باکتری متعلق به گونههای Pseudomonas و Azotobacter، alginate تولید کنند. با در نظرگیری pathogenicity مربوط به گونههایی از Pseudomonas و با نظر به کاربرد آن به عنوان غذا و دارو، A-Vinelandii مناسبترین محصول alginate برای تجارت به نظر میردس.
برای یک تبدیل کارآمد به alginate توسط A-Vinelandii یک کنترل صحیح از فشار اکسیژن حل نشده باید وجود داشته باشد که دارای یک مشکل چالشانگیز در تولید alginate توسط بیوراکتورها میباشد. غلظت اکسیژن بالا باعث میشود substractes در تنفس تلف شوند (به عنوان CO2) که به اصطلاح «حفاظت نیتروژنی» نام دارد درحالی که غلظت پایین اکسیژن باعث ایجاد poly-b-hydroxybutyrate (PHB) میشود.
به دلیل دشوار بودن کنترل فشار اکسیژن حل نشده با ارزش پایینتر در بیوراکتورها باید محصولات میکروبی alginate با Azotobacter Vinelandii با کمک سرعت آشفتگی و نتایج ضد و نقیض تحقیقات گذشته برخورد شود.
برای نیل به این هدف ابتدا باید تأثیر اکسیژن ذخیره شده بر روی رشد سلولی، سوخت و ساز و تشکیل alginate مورد مطالعه قرار بگیرد، تا تأثیر دیگر محدودیتهای مواد غذایی بر روی فرایند مشخص شود.
A.Vinelandii متعلق به گروهی از ارگانیسمهای نیتروژن است که به صورت هوازی زندگی میکنند. از آنجایی که آنزیمهای نیتروژن توسط اکسیژن غیرفعال میشوند باکتریوم دو مکانیسم برای حفاظت از نیتروژنهایش به کار میگیرد، حفاظت تنفسی و حفاظت سازگاری که در آن دو مکانیسم حفاظتی انجام میشود. و رابطهای بین محصول alginate به عنوان یک کپسول و ثابت ماندن نیتروژن وجود ندارد. به این منظور یک مطالعه ریختشناسی مفصل با تحلیل کمیتی از سینتیک کشت میکروهوازی برای درک و وابستگی بین رشد، ماده استفاده PHB، تشکیل alginate و تثبیت نیتروژن وجود دارد.
فصل 1
آلژینات
1-1 هیدروژل ها (ژل های آبکی) به عنوان مواد زیستی هوشمند
هیدروژلها، هیدروفیلیک هستند پلیمرهای شبکهای سه بعدی که میتوانند 10 تا چندصد با پلیمر خشک را جذب کنند بدون اینکه حلالهای سازگار را از بین ببرند. به دلیل محتوای آبی زیاد و مشابهتهای مکانیکی و ساختاری به اجزای وابسته به ماکرومولکولها در بافت طبیعی، هیدروژلها در بسیاری از کاربردهای داروسازی، پزشکی و بیوتکنولوژیکی مورد استفاده قرار میگیرند، برای مثال در سنسورهای زیستی (بیوسنسورها)، ابزار رساننده دارو، مواد کپسولسازی سلولی و ترمیم کنندههای سلولی برای پیوند عضو.
بسیاری از پلیمر های مصنوعی و طبیعی تشکیل دهنده هیدروژلهای فیزیکی از طریق بالا بردن پلیمری یا مبادلات الکترواستاتیک از قبیل معادله dipole-dipole، پیوند با هیدروژل انجام میشود. این پلیمرها همچنین قادرند هیدروژلهایی را با پیوند پلیمرهای حل شونده در آب با پیوند دهندههای شیمیایی در نقاط پیوند دائم تولید کنند. برعکس ژلهای فیزیکی، ژلهای شیمیایی از لحاظ مانیکی ثابت هستند و میزان تجزیه زیستی و بسیاری از ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی شبکه پلیمری به طورکلی قابل کنترل هستند، اگرچه شبکه پلیمری یک قالب ساختاری ارائه میدهد که مایع را در جای خود نگه میدارد مولکولهای آب برای کاهش ورم و انقباض ژل آزاد هستند. به همین شکل محلولهای مولکولی دیگر با وزن کم ممکن است به داخل و خارج شبکه ژلی منتشر شوند.
یک گروه از هیدروژل ها که شکل آنها از نظر ویژگیهای سطحی، حلالیت یا تشکیل مولکولی آن با یک محرک خارجی مثل PH، دما، غلظت یونی، ساختار حلال، وجود یونهای نمکی نور یا الکتریسیته هیدروژلهای هوشمند تلقی میشوند. هیدروژلهای هوشمند برای کاربردهای بیوپزشکی از قبیل رساندن عوامل درمانی، مهندسی بافت، کنترل جاری، ابزار حسگر/ تشخیصی و محرکها استفاده میشوند.
2-1 هیدروژل های واکنش دهنده به PH وابسته به پلی ساکاراید ها
پلی الکترولیتهای طبیعی در زمینههای داروسازی و بیوپزشکی بسیار مورد توجه هستند زیرا دارای ویژگیهایی از قبیل تجزیهپذیری زیستی، سازگاری زیستی، فراوانی در طبیعت ساختار شیمیایی منحصر به فرد و خواص بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی میباشند و دارای قابلیت تولید هیدروژل هستند. به طورکلی هیدروژل واکنش دهنده شامل اسید قابل یونیزه کرده یا گروههای معلق اسید کربوکسیلیک، اسید سولفونیک آمینهها هستند. هنگامی که PH محیط بیرونی بالای ارزش PKa پندانتهای اسیدی است. پلیمر چندیونی میشود درحالی که پایینتر از PKb پندانتهای بنیادی پلیمرها چندکاتیونی میشوند.
شروع ورم واکنش به PH با یونیزه کردن گروه پندانت که فعالیت آب شبکه ژلی نزدیک به PKb و PKa را تغییر میدهد کنترل میشود، پندانتهای یونی هیدروفیلیسیتی پلیمر را افزایش میدهد و باعث ایجاد یک رانش الکترواستاتیک پین زنجیرههای پلیمر میشود که منجر به ورم کردن شبکه پلیمری میشود. مثلاً هیدروژل alginate حاوی اسید کربوکسیلیک است (6/3 PKa ») در PH1 محلول هیدروژل در حالت متراکم و فشرده باقی میماند که به دلیل قابلیت محدود انحلال آب از اسید کربوکسیلیک است. درحالی که هیدروژل در محلولی با 7PH درنتیجه وجود یونهای Carboxylate و افزایش هیدروفیلیسیتی زنجیره پلیمری، ورم میکند. هیدروژلهای واکنش دهنده به PH براساس پلی ساکاراید در فرمولهای داروسازی برای رساندن پروتئینهای درمانی به بدن کاربرد دارند. مفهوم استفاده از PH به عنوان یک عامل برای آزاد کردن دارو در مکان جذب رودهای براساس تغییر PH در مسیر GI است. تحریک کننده معدهای یا PH داروهای پروتئینی توسط ماتریس ژل متراکم در محیط معدهای (2/1 PH ~) قابل حفاظت هستند درحالی که در لومنسهای رودهای (8/7 PH ~) از طریق ورمن ماتریس یا فرسایش آزاد میشوند. علاوه بر این جمع شدن در پلیمرهای mucoadhesive باعث افزایش موجودیت زیستی میشود زیرا ارتباط بین دارو و سطح مخاطی زیاد میشود این عمل همچنین باعث افزایش زمان سکونت در مکان جذب دارو و کاهش متابولیسم دارویی با پروتیزهای اشباع شده از luminal میگردد. برای کاربرد مهندسی بافت، هیدروژلهای واکنش دهنده به PH که دارای یونهای carboxylate در سطح هیدروفیلیک هستند ممکن است از ویژگیهای سطح سلولی در مهرهداران در کم کردن تأثیرات مصونیت ژنی تقلید کنند بنابراین تجزیه زیستی را افزایش میدهد.
مواد زیستی واکنش دهنده به محرکها مبتنی بر alginate
Alginate تا به حال توصیف شدهترین پلی ساکاراید دریایی (آبی) بوده است. alginate به طور گستردهای در فرایند غذایی استفاده میشود زیرا دارای ویژگیهای ژلی، ضخیم کننده و تثبیت کننده است و در کاربردهای بیوپزشکی از قبیل درمان رفلوکس دستگاه گوارشی، پانسمان زخم، پر کردن دندان، کپسولسازیهای پروتئینی/ سلولی و ترمیم بافت مورد استفاده قرار میگیرد. Alginate یکی از جالبترین فرمولهای موجود در صنعت داروسازی را دارد زیرا دارای ویژگی مخاطی چسبنده میباشد. علاوه بر این alginate به طور گستردهای در فرایند جداسازی زیستی به کار گرفته میشود.
1-3-1 ویژگی های پلیمری و شیمیایی alginate
Alginate یک توده پلی ساکاراید چندمولکولی خطی است که از گونههای مختلفی از جلبکهای قهوهای گرفته میشود و یکی از فراوانترین پلی ساکارایدهای دریایی به حساب میآید در میان گونههای جلبکهای قهوهای پرکاربردترین آنها شامل Laminaviahyperborea، Macrocystis pyrifera و Ascophyllum nodosum میباشد که به دلیل فراوانی آنهاست. Alginate یک glycoside اسید polyhexuronic است که شامل پیوندهای –o-glycosidic (4®1) b-D mannuronopyranosyl (M) و a-L guluronopy ranosyl (G) است. تفاله (ته مانده) شکر G و M اپیمر C5 است که تنها به لحاظ chair conformation با هم تفاوت دارند.
همانطور که در شکل 1-2 نمایش داده شده است باقی ماندههای اسید D-mannuronic با پیوندهای گلیکوسیدیک دوقطبی 4C1 به هم وصل شدهاند. درحالی که باقیماندههای اسید L-guluronic با پیوندهای دومحوری 1C4 به هم پیوند خوردهاند. میزان نسبی دو مونومر اسید یورنیک و ترتیب توالی آنها طبق منبع جلبک قهوهای و مکان استخراج آن متفاوت است.
Alginate باکتریایی در 2 و یا 3 موقعیت از D-mannuronic باقی ماندههای اسیدی وجود دارند و نشان دهنده قابلیت پیوند آب بیشتری میباشند.
تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) و الگوسازی آماری نشان میدهد که باقی ماندههای M و G در سازگاریهایی اتفاق میافتد که پلیمتریکهای همگن بلوکهای G و M و پلیمتریکهای ناهمگن بلوکهای جایگزین در پلیمر alginate نام دارد. از ترکیب اندازهگیریهای گرانروی، محاسبات آماری- مکانیکی و دادههای C13-NMR برآورد شد که شدت سفتی بلوکهای زنجیره alginate به منظور MG
فهرست پروژه مطالعه تاثیر ریز ساختار آلژینات بر روی خواص رئولوژیکی محلول های آبی آن
فهرست:
مقدمه کلی...........................................................................................................................................................................6
مقدمه..................................................................................................................................................................................9
فصل اول : آلژینات.........................................................................................................................................................11
هیدروژلها به عنوان مواد زیستی هوشمند........................................................................................................11
1-2هیدروژلهای واکنش دهنده به ph وابسته به پلی ساکارید ها........................................................................12
1-3مواد زیستی واکنش دهنده به محرکها مبتنی بر آلژینات.................................................................................13
1-3-1 ویژگی های پلیمری و شیمیایی آلژینات........................................................................................................13
1-3-2 ویژگی های رئولوژی و قابلیت حل شوندگی آلژینات..................................................................................15
1-3-3 ویژگی های تشکیل ژل در آلژینات...................................................................................................................16
1-3-3-1 پایداری آلژینات به عنوان عملکرد pH ......................................................................................................16
1-3-3-2 تشکیل ژل اسیدی آلژینات............................................................................................................................17
1-3-3-3 پیوند یونی و ویژگی های فیزیکی ژلهای آلژینات یونوترویک............................................................18
1-3-3-4 ویژگیهای انتشار و کلسیم آلژینات............................................................................................................20
1-4 اصلاح شیمیایی آلژینات........................................................................................................................................23
1-4-1 ساخت ژلهای آلژینات شیمایی.........................................................................................................................25
1-4-1-1 ویژگیهای فیزیکیglutaraldehyde و کاربرد آن در بیوپزشکی........................................................25
1-4-1-2 ژل آلژینات پیوند خورده با glutaraldeyde ........................................................................................27
1-5 ورم کردن ژلهای پلی آلکترولیت شبکه ای...........................................................................................................28
1-5-2 پلی الکترلیت پدیده جفت گیری با یون...........................................................................................................33
1-5-3 فعالیت یونی و الکترشیمیایی الکترولیتها....................................................................................................34
1-5-4 نیروی بالقوه شیمیایی الکترولیت.................................................................................................................35
1-5-4-1 فعالیت محلول الکترولیت...........................................................................................................................35
1-5-4-3 میانگین فعالیت الکترولیت.......................................................................................................................36
فصل دو: آلژینات با تکیه بر خواص رئولوژیکی
2-1 آلژینات...................................................................................................................................................................41
2-1-1 منابع جلبکی و دریایی...................................................................................................................................41
2-1-2 ویژگیهای فیزیکی.............................................................................................................................................42
2-1-2-1 پیوند یونی..................................................................................................................................................42
2-1-2-2 قابلیت حل کنندگی......................................................................................................................................43
2-1-2-3 رئولوژی.......................................................................................................................................................44
2-1-2-3-1 آلژینات به عنوان ژل.............................................................................................................................45
2-1-3 مزایای آلژینات که به صورت میکروبی تولید شده است.........................................................................45
2-1-4 کاربرد ژلهای آلژینات در بیوتکنولوژی.......................................................................................................46
2-2 تشکیل باکتریایی آلژینات....................................................................................................................................47
2-2-1 باکتری ازت در برابر pseudomonuds spp ............................................................................................47
2-2-3 کاربرد بیولوژیکی آلژینات در تولید spp باکتریایی.................................................................................50
2-3 فیزیولوژی تولید آلژینات.....................................................................................................................................51
2-3-1 مسیر تولید زیستی مقدمه ای برای ساخت پلیمر ،اسید GPP-monnuronic ...................................51
2-3-3 ژنتیک آلژینات...................................................................................................................................................54
2-3-4 تثبیت نیترون و حفاظت نیتروژن در برابر فشار و اکسیژن....................................................................56
2-3-5 poly-B-hydroxy butyrate و دی اکسید کربن به عنوان محصولاتی نا مطلوب........ ..................58
2-4 بهینه سازی بیوتکنولوژیکال فرآیند میکروبی برای تولید آلژینات............................................................59
2-4-1 فرآیند میکرو ایزوفیلیک و کنترل فشار اکسیژن حل نشده.........................................................................59
2-4-2 مایعات آلژینات غیر نیوتنی و نقش هیدرودینامیکهای مخمر....................................................................60
فصل سوم:مواد،شیوها ،نتایج
3-1 موجودات ذره بینی ..................................................................................................................................................63
3-2 محیط های کشت........................................................................................................................................................63
3-3 سیستم کشت...............................................................................................................................................................63
3-3-1 کشت در کوزه لرزان..............................................................................................................................................64
3-3-2 کشت در بیو راکتور...............................................................................................................................................64
3-3-2-1 رآکتور..................................................................................................................................................................64
3-3-2-2 آشفتگی.................................................................................................................................................................65
3-3-2-3 دما..........................................................................................................................................................................65
3-3-2-4 PH ..................................................................................................................................................................... ..65
3-3-2-5 اکسیژن دار کردن هوا و po2 ...........................................................................................................................66
3-3-2-6 کنترل کف .............................................................................................................................................................66
3-3-2-7 کنترل حجم و وزن...............................................................................................................................................68
3-4 شیوه های تحلیلی.........................................................................................................................................................68
3-4-1 تراکم بهینه................................................................................................................................................................69
3-4-2 توده زیستی و تعیین آلژینات..............................................................................................................................70
3-4-3 تعیین poly-b-hydroxybutyrate ...................................................................................................................71
3-4-4 تعیین آنزیمی ساکاروز...........................................................................................................................................71
3-4-5 تعیین فسفات.............................................................................................................................................................72
3-4-6 نسبت اسید Guluronic/mannuronic ...........................................................................................................73
3-4-6-2 واکنش آلژینات حاوی borate .........................................................................................................................73
3-4-7 گاز جاری ...................................................................................................................................................................73
3-4-8 تعیین وزن مولکولی نسبتی ..................................................................................................................................75
3-4-9 تعیین ویژگی های رئولوژیکی................................................................................................................................75
3-4-10 تحلیل عنصری...................................................................................................................................................... ..75
3-4-11 تعادل ماده.................................................................................................................................................................76
3-4-12 مشاهدات ریخت شناسی.........................................................................................................................................76
3-4-12-1 میکروسکوپی نور..............................................................................................................................................76
5-3 محاسبه پارامترهای فرایند...........................................................................................................................................78
فصل چهارم: بررسی چند تحقیق
4-1-تجزیه ژل آلژینات.........................................................................................................................................................82
4-2-نتایج و مباحث .............................................................................................................................................................87
4-3-رابطه ی میان تنش و تغییر شکل شکستگی ..........................................................................................................91
4-4-خواص شکستگی تحت تاثیر سرعت دگر شکلی ...................................................................................................96
4-7-توده جلبکی از focus vesiculosus تحقیق و پژوهش درباره مولفه های معدنی و آلژینات...................124
4-8- سنجشهای گرانروی........................................................................................................................................ ......128
4-9-اصلاح و تغییرات ویژگی های ویسکو الاستیک پلی ساکارید ها به مسیله تابش دهی گاما......................134
منبع:
ندارد.