Polyanhydrid
Polyanhydrider är en klass av biologiskt nedbrytbara polymerer som kännetecknas av anhydridbindningar som förbinder återkommande enheter i polymerens ryggradskedja . Deras huvudsakliga tillämpning är inom medicinteknik- och läkemedelsindustrin. In vivo bryts polyanhydrider ned till icke-toxiska disyramonomerer som kan metaboliseras och elimineras från kroppen. På grund av sina säkra nedbrytningsprodukter anses polyanhydrider vara biokompatibla.
Ansökningar
De karakteristiska anhydridbindningarna i polyanhydrider är vattenlabila (polymerkedjan bryts isär vid anhydridbindningen). Detta resulterar i två karboxylsyragrupper som lätt metaboliseras och är biokompatibla . Biologiskt nedbrytbara polymerer , såsom polyanhydrider, är kapabla att frigöra fysiskt inneslutna eller inkapslade läkemedel genom väldefinierad kinetik och är ett växande område inom medicinsk forskning. Polyanhydrider har undersökts som ett viktigt material för korttidsfrisättning av läkemedel eller bioaktiva ämnen. Den snabba nedbrytningen och begränsade mekaniska egenskaperna hos polyanhydrider gör dem idealiska som anordningar för kontrollerad läkemedelstillförsel .
Ett exempel, Gliadel [1] , är en apparat i klinisk användning för behandling av hjärncancer . Denna produkt är gjord av en polyanhydridskiva som innehåller ett kemoterapeutiskt medel. Efter avlägsnande av en cancerös hjärntumör förs skivan in i hjärnan och frigör ett kemoterapimedel med en kontrollerad hastighet som är proportionell mot polymerens nedbrytningshastighet . Den lokaliserade behandlingen av kemoterapi skyddar immunsystemet från höga nivåer av strålning .
Andra tillämpningar av polyanhydrider inkluderar användningen av omättade polyanhydrider vid benersättning, såväl som polyanhydridsampolymerer som vehiklar för vaccintillförsel .
Klasser
Det finns tre huvudklasser av polyanhydrider: alifatiska, omättade och aromatiska. Dessa klasser bestäms genom att undersöka deras R-grupper (molekylens kemi mellan anhydridbindningarna ) .
Alifatiska polyanhydrider består av R-grupper som innehåller kolatomer bundna i raka eller grenade kedjor. Denna klass av polymerer kännetecknas av en kristallin struktur, ett smälttemperaturområde på 50–90 °C och löslighet i klorerade kolväten. De bryts ned och elimineras från kroppen inom några veckor efter att de introducerats i den kroppsliga miljön.
Omättade polyanhydrider består av organiska R-grupper med en eller flera dubbelbindningar (eller grader av omättnad) . Denna klass av polymerer har en mycket kristallin struktur och är olöslig i vanliga organiska lösningsmedel.
Aromatiska polyanhydrider består av R-grupper som innehåller en bensenring (aromatisk). Egenskaper för denna klass inkluderar en kristallin struktur, olöslighet i vanliga organiska lösningsmedel och smältpunkter högre än 100 °C. De är mycket hydrofoba och bryts därför ned långsamt när de befinner sig i den kroppsliga miljön. Denna långsamma nedbrytningshastighet gör aromatiska polyanhydrider mindre lämpliga för läkemedelstillförsel när de används som homopolymerer, men de kan sampolymeriseras med den alifatiska klassen för att uppnå den önskade nedbrytningshastigheten.
Syntes och karaktärisering
Polyanhydrider syntetiseras med antingen smältkondensation eller lösningspolymerisation. Beroende på vilken syntesmetod som används kan olika egenskaper hos polyanhydrider ändras för att uppnå den önskade produkten. Karakterisering av polyanhydrider bestämmer molekylens struktur, sammansättning, molekylvikt och termiska egenskaper. Dessa egenskaper bestäms genom att använda olika metoder för ljusspridning och storleksuteslutning.
Polymerisation
Polyanhydrider kan enkelt framställas genom att använda tillgängliga, billiga resurser. Processen kan varieras för att uppnå önskvärda egenskaper. Traditionellt har polyanhydrider framställts genom smältkondensationspolymerisation, vilket resulterar i polymerer med hög molekylvikt . Smältkondensationspolymerisation involverar omsättning av dikarboxylsyramonomerer med överskott av ättiksyraanhydrid vid hög temperatur och under vakuum för att bilda polymererna. Katalysatorer kan användas för att uppnå högre molekylvikter och kortare reaktionstider. I allmänhet används en enstegssyntes (metod som involverar endast en reaktion) som inte kräver rening.
Det finns många andra metoder som används för att syntetisera polyanhydrider. Några av de andra metoderna inkluderar: mikrovågsuppvärmning, högkapacitetssyntes (syntes av polymerer parallellt), ringöppningspolymerisation (avlägsnande av cykliska monomerer), gränssnittskondensering (högtemperaturreaktion av två monomerer), dehydrativa kopplingsmedel (avlägsning av vattnet). grupp från två karboxylgrupper) och lösningspolymerisation (reagerar i en lösning).
Analys av kemisk struktur och sammansättning
Den kemiska strukturen och sammansättningen av polyanhydrider kan bestämmas med H 1 NMR -spektroskopi . Detta kommer att bestämma klassen av polanhydrid (aromatisk, alifatisk eller omättad) såväl som polymerens strukturella egenskaper . Till exempel tillåter analysen av kärnmagnetisk resonans ( NMR ) toppar en att bestämma om en sampolymer har en slumpmässig eller blockliknande struktur. Molekylvikt och nedbrytningshastighet kan också bestämmas med NMR .
Molekylviktsanalys
Förutom att använda NMR för att bestämma en polyanhydrids molekylvikt, kan gelpermeationskromatografi (GPC) och viskositetsmätningar också användas.
Termiska egenskaper
Differential scanning kalorimetri (DSC) används för att bestämma de termiska egenskaperna hos polyanhydrider. Glasövergångstemperatur, smälttemperatur och smältvärme kan alla bestämmas med DSC. Kristalliniteten hos en polyanhydrid kan bestämmas med användning av DSC, Small angle X-ray scattering (SAXS) , kärnmagnetisk resonans (NMR) och röntgendiffraktion .
Degradering
Erosionen och nedbrytningen av en polymer beskriver hur polymeren fysiskt förlorar massa ( nedbryts ). De två vanliga erosionsmekanismerna är yt- och bulkerosion . Polyanhydrider är yteroderande polymerer. Ytans eroderande polymerer tillåter inte vatten att tränga in i materialet. De eroderar lager för lager, som en klubba. Den hydrofoba ryggraden med hydrolytiskt labila anhydridbindningar tillåter att hydrolytisk nedbrytning kontrolleras genom att manipulera polymerkompositionen . Denna manipulation kan ske genom att tillsätta en hydrofil grupp till polyanhydriden för att göra en sampolymer. Polyanhydridsampolymerer med hydrofila grupper uppvisar bulk-eroderande egenskaper. Bulk eroderande polymerer tar in vatten som en svamp (genom hela materialet) och eroderar inuti och på ytan av polymeren.
Läkemedelsfrisättning från bulkeroderande polymerer är svår att karakterisera eftersom det primära sättet för frisättning från dessa polymerer är diffusion . Till skillnad från yteroderande polymerer uppvisar bulkeroderande polymerer ett mycket svagt samband mellan hastigheten för polymernedbrytning och hastigheten för läkemedelsfrisättning. Därför är utvecklingen av yteroderande polyanhydrider införlivade i de bulkeroderande polymererna av ökad betydelse.
Biokompatibilitet
Biokompatibilitet och toxicitet för ett polymert material utvärderas genom att undersöka systemiska toxiska svar, lokala vävnadssvar , cancerframkallande och mutagena reaktioner och allergiska reaktioner på materialets nedbrytningsprodukter. Djurstudier utförs för att testa polymerens effekt på var och en av dessa negativa svar. Polyanhydrider och deras nedbrytningsprodukter har inte visat sig orsaka betydande skadliga reaktioner och anses vara biokompatibla .
- Domb, A., Amselem, S., Langer, R. och Manair, M. "Kapitel 3: Polyanhydrider som bärare av droger." Biomedicinska polymerer designade för att bryta ned system. Hanser Publishers: Munich, Wien, NY, 1994.
- Kumar, N., Langer, R. och Domb, A. "Polyanhydrider: en översikt." Advanced Drug Delivery Reviews, 2002.
- "Syntestekniker för polyanhydrid." Wyatt Technology Corp. [2]
- Tamada, J. och Langer, R. "Utvecklingen av polyanhydrider för läkemedelstillförselapplikationer." Journal of Biomaterials Science, Polymer Ed. Vol. 3, nr 4, s. 315–353, 1992.
- Torres, MP; Determan, AS; Malapragada, SK; Narasimhan, B. "Polyanhydrider." Encyclopedia of Chemical Processing. 2006.
- BM Vogel, SK Mallapragada och B. Narasimhan, "Snabb syntes av polyanhydrider genom mikrovågspolymerisation", Macromolecular Rapid Communications 25, 330-333, 2004.
- BM Vogel, SK Mallapragada, "Syntes av nya biologiskt nedbrytbara polyanhydrider som innehåller aromatiska och glykolfunktioner för att skräddarsy hydrofilicitet i kontrollerade läkemedelsleveransanordningar", Biomaterials, 26, 721-728, 2004.
- BM Vogel, Naomi Eidelman, SK Mallapragada och B. Narasimhan, "Parallell Synthesis and Dissolution Testing of Polyanhydride Random Copolymers", Journal of Combinatorial Chemistry , 7, 921-928, 2005.
- BM Vogel och SK Mallapragada, "The Synthesis of Polyanhydrides", i Handbook of Biodegradable Materials and their Applications, redigerad av SK Mallapragada och Balaji Narasimhan, ASP Publishers, Vol. 1, 1-19, 2005.