Поверхностная модификация биополимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поверхностная модификация биополимеров

Сапего Диана Витальевна, Бессонова Виктория Александровна

Сибирский федеральный университет, институт фундаментальной биологии и биотехнологии

Аннотация. Биополимеры хорошо известны своей биологической совместимостью с организмом человека, но их гидролитическая стабильность (сопротивление гидролитическому расщеплению водой) при нормальных условиях, их гидрофобность, отсутствие химической функциональности не позволяют использовать их в биомедицине. Для расширения их применения важно улучшать механические свойства, амфифильность, функциональность поверхности, скорость деградации, кристаллизацию. Одним из подходов к решению данной задачи является химическая модификация биополимеров, направленная на введение в их структуру новых функциональных групп. Это изменяет функциональность полимерной пленки и делает возможным дальнейшее использование в биомедицине.

Ключевые слова: биополимеры, бромциан, иммобилизация белка, карбодиимиды, модификация, п-бензохинон

Получение новых полимеров традиционно производится методами - полимеризации и поликонденсации. Но существует ещё одно направление- их модификация методом обработки поверхности, объектом которого является трансформация структуры поверхностного слоя полимерных материалов, позволяющая получать иные материалы с улучшенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами. Различают разные способы поверхностной модификации изделий: физические, химические, физико-химические. [1]

Существуют следующие физические методы модификации: термическое воздействие, облучение, вакуумно-компрессионная обработка, деформирование, воздействие электромагнитных полей. Основная проблема этого способа модификации - энергоемкость процесса - при длительном расплаве полимера при высоких температурах и давлении, создаётся необходимость в механическом (прокатка) или химическом воздействии на новый полимер для управления процессами его испарения либо осаждения. Продуктом такого метода всегда являются композиционные материалы с четкой фазовой границей между компонентами. Это происходит в результате “наполнения” полимеров твёрдыми, жидкими или газообразными веществами, равномерно распределяющимися по поверхности.

Самый простой метод физической модификации - это смешение полимеров, несмотря на то что механические свойства ухудшаются, он используется довольно часто. Ориентация-приведение макромолекул в выпрямленную конформацию, часто используемый способ для улучшения прочностных свойств.

Пластификация -введение веществ повышающих подвижность макромолекул кристаллических решеток, в результате чего возрастают эластичность и пластичность материалов.

Термическая обработка (отжиг), используется для улучшения деформационных свойств (снятие внутренних напряжений).

Облучение, например, резины, приводит к образованию кислородсодержащих групп в слое толщиной 0.5 мкм. Это происходит за счёт образования свободных радикалов, которые в отсутствии акцепторов рекомбинируют, сшивание таким методом двух компонентов приводит к ухудшению физических свойств полимера, поэтому используется излучение с малой интенсивностью. Перспективным методом является обработка полимеров в плазме тлеющего разряда. Под действием УФ излучения плазмы может происходить как разрыв связей с уменьшением молекулярной массы и кристалличности, так и сшивка полимеров. Причём от вида плазмы зависит образующийся продукт, так кислородсодержащая плазма способствует образованию гидроксогрупп на эластомере (высокоэластичный полимер), с помощью аргона и кислорода образуются парамагнитные центры, способствующие адгезии с металлом. Методы, повышающие стойкость материалы к старению - это сшивка со стабилизаторами, или более надежный метод- метод диффузной стабилизации, т. е. диффундированние стабилизатора внутрь эластомера, это защищает полимер от окисления и трения. [1]

Особенность химической модификации заключается в сопровождении её побочными реакциями, в результате чего образуется химически разнородный полимер с разными звеньями. Метод заключается в проведении реакции полимера с функциональным соединением с образованием регулярно или случайно распределённых по длине цепи функциональных групп. В “стабильные” полимеры входят группы типа -СН2-СН2-(полиэтилен),-О-(полиэфиры). Большей реакционной способностью характеризуются полимеры с группами ОН, СООН, СОNH.

Реакции модификации можно разделить на несколько типов: замещение функциональных групп, деструкция полимера с последующим присоединением функциональных групп, отщепление функциональных групп, изомеризация, реакция обмена. Как видно, что в результате этих реакций не изменяется структура полимера, а только поверхностный слой.

Есть также комбинированные методы модификации, известными физико- химическим методам являются: термохимическая обработка, воздействие низкотемпературной плазмой разных газов, поверхностная полимеризация при активации мономера в паровой фазе, действие физических полей в кислородной среде. [1]

Плазмохимический метод. Он заключается в создании на поверхности полимера тонких сплошных антиадгезионных слоёв, предотвращающих трение резины. Это достигается путём прививки фторсодержащих мономеров, имеющих низкую поверхностную энергию и малую адгезионную активность. В подобной плазме могут поляризоваться любые полимеры, но есть один минус - это низкое адгезионное взаимодействие нанесенного слоя и полимера. [1]

Карбодиимидный метод. Очень немногие химические группы обеспечивают конъюгирование карбоновых кислот (-СООН) с белками. Реагенты диазометана и диазоуксусной были использованы для получения производных для анализа с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии или для флуоресцентного мечения. Карбонилдиимидазол (CDI), может быть использован в безводных условиях для активации конъюгации карбоновых кислот с первичными аминами (-NH2) через амидные связи. Наиболее легко доступны и широко используются карбодиимиды: водорастворимый EDC и нерастворимый в воде DCC.

EDC вступает в реакцию с карбоксильными группами с образованием активной O-ацилизомочевины, которая легко вытесняется нуклеофильной атакой из первичных аминогрупп в реакционной смеси. Первичный амин образует амидную связь с исходной карбоксильной группой. O-ацилизомочевина подвергается гидролизу: регенерируются карбоксилы, и высвобождается N-незамещенная мочевина (рис.1). EDC сшивание наиболее эффективно в кислой среде (рН 4,5) и должно быть выполнено в буферах, лишенных посторонних карбоксилов и аминов. EDC пара с NHS (N-гидроксисукцинимид) карбоксилами, образуя сложный эфир, который значительно более стабилен, чем O-ацилизомочевина позволяет конъюгацию с первичными аминами при физиологическом значении рН. EDC также способен активировать фосфатные группы, в присутствии имидазола для конъюгации с первичными аминами. Способность сшивать первичные амины с карбоновыми кислотами с использованием EDC является мощным и универсальным инструментом для сшивания пептидов и белков, подготовка биомолекулярных зондов и иммобилизации макромолекулы для применения в многочисленных методах обнаружения и анализа белка в клеточной биологии. [2]

Рис.1 Конъюгация карбоксильной кислоты с аминами

модификация биополимер пленка

Бензохиноновый метод. Этот метод заключается в использовании п-бензохинона в сцепке с полимером для иммобилизации на поверхности окислительных ферментов. Процесс иммобилизации состоит просто из набухания активированной пленки в соответствующем соединительном (содержащем фосфат) буфере в течение нескольких минут, фильтрации, а затем добавления белка для соединения и несколько часов инкубации. Происходит ковалентное связывание ферментов с полигидроксильной поверхностью пленок, активированных путем обработки избытком п-бензохинона. П-бензахинон соединяется с аминогруппами, SH-группами, а также гидроксогруппами белка (рис.2). Минус этого метода заключается в том, что не весь бензохинон восстанавливается до п-бензохинона и бензохинон так же является субстратом для лакказы (окислительного фермента), поэтому модифицированный полимер сложно сохранить. [3]

Рис.2 Сцепление белка с полимерной пленкой, активированной бензохиноновым методом.

Бромциановый метод. Одним из наиболее распространенных носителей для ковалентного присоединения к нему белков является сефароза, представляющая собой сферические частицы геля агарозы -- полисахарида, выделяемого из водорослей агар-агар. Для реализации образования ковалентной связи между гидроксильными группами сефарозы и функциональными группами белковой макромолекулы используется бромциановый метод (рис.3). [4]

Рис.3 Бромциановый метод иммобилизации белка

Библиографический список

1. Назаров В. Г. : Поверхностная модификация полимеров: монография, М.:МГУП, 2008,-474 с

2. Carbodiimide Crosslinker Chemistry http://www.piercenet.com/method/carbodiimide-crosslinker-chemistry

3. Mircea-Alexandru Mateescu , Grazyna Weltrowska , Enzo Agostinelli ,Richard Saint-Andrе , Marek Weltrowski , and Bruno Mondovi : Ready to use p-benzoquinone activated supports for biochemical coupling, with special applications for laccase immobilization // Dtpartement de Chimie ,Canada, Department of Biochemical Sciences, University of Rome,-Rome, Italy.

4. helpiks.org //Хелпикс.Орг - 2014-2016 год. : Примеры использования полимерных носителей

Размещено на Allbest.ru