مقاله مروری بر خواص ژلاتین و گستره کاربردی آن در فن آوری نانو و پزشکی

بخشی از مقاله

مقاله مروری بر خواص ژلاتین و گستره کاربردی آن در فن آوری نانو و پزشکی
چکیده
در راستای پیشرفت روز افزون نانوتکنولوژی و کاربرد گسترده نانوساختارها به عنوان داربست های کشت سلول برای تولید اعضای مصنوعی و همچنین ردیابی هوشمند و رهایش هدفمند دارو در صنایع پزشکی، همواره چالشی بر سر یافتن پلیمری مناسب جهت تهیه و تولید نانوساختارها با خواست و نیاز این رشته وجود داشته است. با توجه به کاربرد های درون تنی و مجاورت نانوساختارها با زخم، ارگان های داخلی و سلول های بدن، پلیمر مورد استفاده در تهیه غشاهای متخلخل از نانوساختارها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در نتیجه با نظر به لزوم حفظ حیات سلول و سازگاری بیولوژیکی نانوساختارها با بدن موجودات زنده، خواصی نظیر زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری و عدم سمیت حائز اهمیت می باشد. در این مطالعه از ژلاتین به عنوان ماکرومولکولی یاد خواهد شد که علاوه بر تأمین موارد فوق و همچنین قیمت مناسب و دسترسی آسان در طبیعت با ایجاد خواصی منحصر به فرد در نانوساختارها گام مؤثری در پیشرفت و رشد این تکنولوژی در پیش نهاده است. این مقاله مروری است بر برخی خواص ژلاتین و کاربرد نانو ساختارهای حاصل از آن در صنعت پزشکی.
واژه های کلیدی: بیوپلیمر، ژلاتین، مهندسی بافت، رهایش هدفمند دارو، نانوساختار

-1 مقدمه
نظر به گسترش روز افزون نانو فناوری و کاربرد گسترده آن در علم پزشکی، استفاده از انواع پلیمرها در راستای ارتقای کیفیت زیرساخت های کاربردی در ابعاد نانو مورد توجه واقع شده است. از این رو به واسطه ارتباط مستقیم این مواد با بدن موجوات زنده و نیاز به تخریب بیولوژیکی پلیمر ها و آزاد سازی حداقل مواد سمی، استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در این حیطه از جایگاه ویژه ای برخوردار است. پلیمرهای زیست تخریب پذیر که غالبا توسط میکروارگانسم ها تجزیه شده و به طبیعت بازمی گردند، جایگزین مناسبی برای پلیمرهایی خواهند بود که توانایی تخریب بیولوژیکی ندارند. فاکتورهای محیطی و همچنین ساختار شیمیایی پلیمرها تأثیر به سزایی در تعیین چگونگی و مدت زمان تخریب آنها بر عهده دارند. از جمله شرایط محیطی می توان به دما و رطوبت موجود در محیط اشاره نمود، بدین صورت که بسته به توانایی پلیمر برای جذب رطوبت و میزان استحکام پیوندهای شیمیایی ترکیب مورد کاربرد از انواع پلیمرها و همچنین تعداد شاخه های جانبی، دوام پلیمرها تحت تأثیر قرار می گیرد(.(Bastioli, 2005 زیست تخریب پذیری پلیمرها که شامل دو روش توده ای و سطحی می باشد، در دو مرحله رخ می دهد:
مرحله اول شامل شکسته شدن زنجیرهای بلند پلیمری به واسطه هیدرولیز و اکسیداسیون، در نتیجه دی پلیمریزه شدن پلیمر و ایجاد الیگومر می باشد.
مرحله دوم نیز به تبدیل الیگومرها به توده های زیستی، معدنی، نمک ها، آب و گازهایی مثل دی اکسید کربن و متان اختصاص می یابد. جدا از الگوی مشترک تخریب، در دو روش توده ای و سطحی تفاوت هایی در نوع تخریب و نحوه کاهش وزن مولکولی به چشم می خورد. به این صورت که در روش توده به دلیل امکان جذب آب بالا، پلیمر از درون تخریب شده و کاهش وزن مولکولی در سرتاسر توده یکسان است. در حالیکه در تخریب سطحی، کاهش وزن تنها در سطح به مشاهده می شود و پلیمر از خارج به داخل تخریب می گردد(.(lendlein, Sisson, 2011 پلیمرهای زیست تخریب پذیر به دو گروه طبیعی و سنتزی دسته بندی می شوند. ریشه تجدید پذیر پلیمرهای طبیعی در مقایسه با منشأ نفتی و طبیعت آبگریز و مقاوم اغلب پلیمرهای سنتزی نسبت به میکروارگانیسم ها توجهات بسیاری را به استفاده از پلیمرهای طبیعی منعطف ساخته است. این در حالی است که با توجه به سهولت تخریب بیولوژیکی این پلیمرها استحکام آن ها به شدت تحت تأثیر قرار گرفته و افت می کند. در نتیجه یافتن پلیمری که علاوه بر حصول این مهم از استحکام مناسبی نیز برخوردار باشد بسیار پر فایده خواهد بود. در این تحقیق از ژلاتین به عنوان یکی ازقدیمی ترین ماکرومولکولهایی که تاریخ استفاده از آن به فراعنه برمی گردد، یاد می گردد. این ماده پروتئینی کلوئیدی زرد رنگ و تقریبا بی بو و بی مزه که از هیدرولیز کلاژن طبیعی موجود در پوست و بدن برخی آبزیان و پستانداران و حتی حشرات تولید می شود، طبیعت غیر سمی و قابل انحلال این پلیمر در آب سبب محبوبیت و کاربرد گسترده ی ژلاتین در صنایع غذایی، دارویی، پزشکی و نظامی و تولید آن در چهار درجه متفاوت خوراکی، صنعتی، فوتوگرافی و دارویی می شود. در این مطالعه به بررسی سنتز و توضیح خواص و کاربردهای پزشکی ژلاتین در ابعاد نانو خواهیم پرداخت.
-2 ساختار شیمیایی
ژلاتین به عنوان یک هتروپلیمر پروتئینی آبدوست، متشکل از توالی اسید آمینه هایی می باشد که نظر به شکل (1) توسط پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل گشته و پایدار شده است. ژلاتین که از هیدرولیز کلاژن طبیعی موجود در پوست و بدن پستانداران، آبزیان و حشرات تولید می شود، دارای فرمول شیمیایی مستقلی نیست و شامل %50/5 کربن%6/8 هیدروژن،%17 نیتروژن، %25/2اکسیژن و رطوبت %13 و چگالی معادل با 1/3-1/4 است.

کلاژن، بخش اصلی بافت پیوندی است که قسمت اعظم پروتئین های پوست، رگ ها، بافت های پیوندی و پروتئین های استخوان و غضروف را تشکیل می دهد. وجود پل های دی سولفیدی، نیروهای واندروالسی و همچنین اتصالات هیدروژنی در بین دو ناحیه مجاور در یک زنجیر پپتیدی و یا با زنجیرهای مجاور که از نظر نوع موقعیت و انرژی، مختلف هستند، با ایجاد ساختاری مارپیچی کلاژن را به یک پلیمر نامحلول در آب و مقاوم بدل کرده است(.(Anker et al, 1999
-3 مراحل هیدرولیز و انواع ژلاتین
ژلاتین شامل 18 نوع اسید آمینه است و نخستین بار از جوشاندن پوست و استخوان گاو تهیه شد و به چسب استخوان معروف بوده است. کلاژن موجود در بافت حیوانات توسط دو عملیات بازی و اسیدی استخراج می گردد و به واسطه نحوه تهیه به دو گروه ژلاتین A
و B تقسیم می گردد .(Irwandi et al, 2009)

مواد اولیه پس از شستشو و چربی زدایی در آب داغ با هیدروکلریک اسید عمل می شوند تا بخش کلسیم فسفات آنها حل شود. آنچه بعد از خشک شدن باقی می ماند مواد طبیعی استخوان است که غیرقابل حل در اسید است. بعد از این مرحله دو گروه ژلاتین به صورت زیر تهیه می شوند:
ژلاتین گروه A از عمل کردن مواد اولیه با اسید سرد Ph=1/5-3 به مدت 30 ساعت بدست می آید، نقطه ایزو الکتریک این پلیمر 9 است.
ژلاتین گروه B از عمل کردن مواد اولیه با آب آهک Ph=12 در دمای ثابت به مدت چهار ماه بدست می آید، نقطه ایزوالکتریک کوپلیمر حاصل بین 4-7 است .(Weishardt, 2013)(Djagny Boady et al, 2001)(SRM, 2005)کاربرد هریک از این دو روش در تهیه ژلاتین منجر به ایجاد ژلاتین هایی با درجه بولوم متفاوتی می گردد ژلاتین براساس ویسکوزیته با واحدی به نام بولوم درجه بندی می شود. هرچه عدد بولوم ژلاتین بالاتر باشد، درجه و قیمت آن بالاتر خواهد بود. بولوم (Bloom) نام شخصی است که وسیله ای را جهت اندازه گیری سختی ژلاتین ابداع نمود. برای اندازه گیری بولوم بر اساس تکنیک انگلیسی، ژلاتین را که با درصد وزنی %6/67 تهیه شده، به مدت 30 دقیقه در دمای اتاق زمان داده تا تورم پلیمر به صورت کامل صورت پذیرد و سپس ظرف حاوی مخلوط فوق را در حالیکه به مدت 30 دقیقه به صورت مداوم بهم می خورد، در ظرفی حاوی آب 42 درجه سانتیگراد قرار می دهند و آخرین مرحله نیز با قرار دادن این ظرف در آب 10 درجه به مدت 16-18 ساعت پایان می یابد و درجه سختی به وسیله دستگاه اندازه گیری با تنظیمات مطلوب و از طریق فرمول زیر محاسبه می گردد .(Muyonga et al, 2004)

کیفیت ژلاتین بستگی به رنگ و قدرت ژل شدن محصول دارد . هر قدر میزان رنگ، روشن تر و قدرت بولوم (ژل شدن) بیشتر باشد، کیفیت محصول بالاتر و قیمت آن نیز بیشتر می باشد. علاوه بر طبقه بندی این پلیمر بر اساس شرایط حمام هیدرولیز، بر اساس جدول((1 ژلاتین بسته به انواع مواد اولیه اسامی مختلفی به خود اختصاص می دهد. از جمله : ژلاتین گاو (Bovine gelatin)، ژلاتین ماهی (Fish gelatin)، ژلاتین خوک (Porcine gelatin)، ژلاتین پایه غذایی Food grade gelatin)، ژلاتین خوراکی (Edible gelatin)، ژلاتین ماهی حلال (Kosher fish gelatin)، ژلاتین ماهی خشک (Dried Fish gelatin)، ژلاتین ماهی بلوم (Bloom fish gelatin)، ژلاتین ماهی با وزن مولکولی بالا (HMW fish gelatin)، ژلاتین ماهی سریشم (Isinglass gelatin)، سریشم .(Gelatine)

-4 محصولات جانبی
محصولات فرعی که در کنار واحد ژلاتین تولید می شوند عبارتند است از: هیدروکسی آپاتیت، چربی، تری کلسیم فسفات، کلسیم کربنات، کلسیم سولفات، پودر استخوان، اوسئین و کلرید کلسیم که کاربرد های گسترده ای در مصارف غذایی، محصولات بهداشتی، سـرامیک سـازی، کـودهای کشـاورزی و رطوبت گیر دارند (Borden, 2013)؟
-5 حلالیت
ژلاتین به عنوان یک پلیمر آبدوست در آب متورم شده و ساختار آن با افزایش دما از هم گسیخته می گردد و درون آب حل میگردد. برای سنجش انحلال پذیری این پلیمر باید انحلال پذیری آن را در دمای محیط آزمایشگاه بررسی کرد چراکه با افزایش دما پروتئین های ژلاتین تا حدودی دناتوره (denature) می شود، ساختار سه بعدی و بخشی از آنزیم های موجود در آن تخریب می گردد و در نتیجه انحلال پذیری این پلیمر تحت تاثیر قرار گرفته و افزایش می یابد. علاوه بر دما Ph نیز یکی از فاکتورهای موثر در انحلال پذیری ژلاتین به شمار می رود و تفاوت چشم گیری در خواص شیمیایی و بار سطحی آن ایجاد می نماید. چراکه با وجود انحلال پذیری این پلیمر به صورت ایزو الکتریک در محیط خنثی، انحلال این پلیمر در حالت بازی یا اسیدی سبب ایجاد بارهای سطحی شده و با تبدیل ژلاتین به یک پلیمر پلی الکترولیت موجبات انحلال سریع تر و نفوذ عمیق تر حلال را پدید می آورد .( A. Williams et al, 2007) ژلاتین در محیط های اسیدی بار مثبت، در محیط های قلیایی با توجه به شکل( (2 بار منفی می گیرد و بسته به نوع گروه و نقطه ایزو الکتریک در حالت پایای ایزو الکتریک و خنثی قرار دارد. امکان انحلال این پلیمر در شرایط گوناگون، دسترسی و کاربرد گسترده ای در خصوص خواص منحصر به فرد پزشکی در فناوری نانو ایجاد نموده است، چراکه نظر به افزایش سطح به حجم پلیمر ها با انتفال آنها به ابعاد نانو وجود بارهای سطحی تأثیر به سزایی در کاربرد و ویژگی نهایی ژلاتین خواهد داشت .(Yang et al, 2013) از جمله این خواص می توان به خصوصیات آنتی باکتری ژلاتین در محیط اسیدی اشاره کرد با این توضیح که وجود بار مثبت سطحی این پلیمر در محیط اسیدی با بارهای منفی موجود در غشاء باکتری واکنش می دهد و موجب چسبیدن سلول ها به هم می شود و در نهایت تراوش اجزاء داخلی باکتری به خارج سبب تخریب آن می گردد، بعلاوه بار مثبت موجود در سطح این پلیمر در مهندسی بافت می تواند موجبات بهبود چسبندگی و رشد سلول را فراهم آورد .(A. Orbay et al, 2013)

شکل((2 انحلال ژلاتین و ایجاد پلی الکترولیت
-6 کاربردهای پزشکی ژلاتین
ژلاتین به عنوان یکی از کامل ترین، خالص ترین و پرمصرف ترین مواد پروتئینی کلوئیدی موجود در طبیعت می باشد که به آسانی در بدن جذب شده و به هضم سایر مواد غذایی ازطریق تشکیل امولسیون با چربی ها و پروتئین ها کمک می نماید. عدم سمیت، پروتئین غیر آلرژیک و طبیعت زیست سازگار این پلیمر، توانایی شکل گیری به صورت الیاف و همچنین وجود سایر خواص منحصر به فرد ژلاتین سبب کاربرد گسترده این پلیمر در صنایع پزشکی و داروسازی می شود. از جمله این خواص و کاربردها می توان به موارد زیر اشاره کرد .(C.J, Coester et al, 2000)
ژلاتین در تهیه محیط کشت باکتریها نقش عمده ای را ایفا می کند بعلاوه قادر به ایجاد لخته مصنوعی و قدرت جذب خون بوده و می تواند از خونریزی جلوگیری کند. ژلاتین به علت جذب دائمی آب و عدم وجود چربی و کربوهیدرات و دارا بودن پروتئین و مواد معدنی که از نظر کالری نسبتاً ضعیف است، در رژیم های لاغری و دوره نقاهت تجویز می گردد، بعلاوه با امکان جایگزینی ژلاتین به جای ماده پروتیدی در بیمارانی که منع مصرف نمک دارند، کمک شایانی به کنترل مصرف مواد ازته می شود و قادر است به واسطه وجود هیستیدین که به عنوان عامل بازگرداننده هموگلوبین خون (همراه با سایر مواد مانند آهن) عمل می کند، به عنوان جانشین سرم خون تجویز گردد، و با خاصیت نگهداری آب و جذب تدریجی آن به عمل خون سازی تدریجی کمک نماید. همچنین با پوشاندن لایه داخلی معده و روده عموما به همراه سایر داروها در درمان اولسر معده و روده تجویز می گردد(.(Kriegel, et al, 2011 همچنین از ژلاتین برای تهیه کپسولهای ژلاتینی نرم و سخت به عنوان روکش و حامل شیافها بصورت فیلم ژلاتین قابل جذب، ژلاتین اسفنجی قابل جذب