Поверхностная модификация биополимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский федеральный университет, Институт Фундаментальной Биологии и Биотехнологии

ПОВЕРХНОСТНАЯ МОДИФИКАЦИЯ БИОПОЛИМЕРОВ

Сапего Диана Витальевна,

Бессонова Виктория Александровна

Аннотация

биополимер химический модификация механический

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

Annotation

SURFACE MODIFICATION OF BIOPOLYMERS

Sapego Diana Vitalievna, Bessonova Viktoriya Aleksandrovna Siberian Federal University, Institute of Fundamental Biology and Biotechnology

Biopolymers are biologically compatible with the human body, but their hydrolytic stability (resistance to hydrolytic degradation) under normal conditions, their hydrophobicity, no chemical functionality is not allow their use in biomedicine. To extend their use it is important to improve the mechanical properties, amphiphilicity, surface functionality, the rate of degradation, crystallization. One approach to solving this problem is the chemical modification of biopolymers that is the introduction into their structure of new functional groups. This changes the functionality of the polymer film, and makes it possible to further use in biomedicine.

Основная часть

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

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