البوليمر الحيوي

يُعتمد في تسمية عديد الببتيد على سرد الأحماض الأمينية المكونة له، بدءًا من الطرف الأميني وصولًا إلى الطرف الكربوكسيلي. وترتبط هذه الأحماض الأمينية دائمًا بروابط ببتيدية . أما البروتين ، فرغم استخدامه الشائع للإشارة إلى أي عديد ببتيد، إلا أنه يُشير إلى الأشكال الأكبر حجمًا أو كاملة الوظائف، وقد يتكون من عدة سلاسل ببتيدية أو سلاسل مفردة. كما يمكن تعديل البروتينات لتشمل مكونات غير ببتيدية، مثل سلاسل السكريات والدهون . ^{[ 4 ]}

يُعتمد في تسلسل الأحماض النووية على سرد النيوكليوتيدات من الطرف 5' إلى الطرف 3' لسلسلة البوليمر ، حيث يشير 5' و3' إلى ترقيم ذرات الكربون المحيطة بحلقة الريبوز التي تُشارك في تكوين روابط ثنائي إستر الفوسفات في السلسلة. يُطلق على هذا التسلسل اسم البنية الأولية للبوليمر الحيوي. ^{[ 5 ]}

يمكن أن تكون عديدات السكاريد (بوليمرات السكر) خطية أو متفرعة، وترتبط عادةً بروابط جليكوسيدية . يختلف موضع الرابطة، كما أن اتجاه المجموعات الوظيفية الرابطة مهم أيضًا، مما ينتج عنه روابط جليكوسيدية من نوع ألفا وبيتا، حيث يحدد ترقيم ذرات الكربون الرابطة موقعها في الحلقة. إضافةً إلى ذلك، يمكن للعديد من وحدات السكاريد أن تخضع لتعديلات كيميائية مختلفة، مثل الأمينة ، بل ويمكنها أن تُشكّل أجزاءً من جزيئات أخرى، مثل البروتينات السكرية .

نظرًا لأن أحد الأهداف الرئيسية للهندسة الطبية الحيوية هو محاكاة أعضاء الجسم للحفاظ على وظائفه الطبيعية، تُستخدم البوليمرات الحيوية على نطاق واسع في هندسة الأنسجة والأجهزة الطبية والصناعات الدوائية، وذلك بفضل خصائصها المتوافقة حيويًا. ^{[ 7 ]} ويمكن استخدام العديد من البوليمرات الحيوية في الطب التجديدي وهندسة الأنسجة وإيصال الأدوية والتطبيقات الطبية عمومًا، نظرًا لخصائصها الميكانيكية. فهي تتميز بخصائص مثل التئام الجروح وتحفيز النشاط الحيوي، فضلًا عن كونها غير سامة. ^{[ 13 ]} وبالمقارنة مع البوليمرات الاصطناعية، التي قد تُظهر عيوبًا مختلفة مثل الرفض المناعي والسمية بعد التحلل، فإن العديد من البوليمرات الحيوية عادةً ما تكون أفضل اندماجًا مع الجسم، نظرًا لامتلاكها هياكل أكثر تعقيدًا، تُشبه هياكل جسم الإنسان.

وبشكلٍ أدق، تُعدّ عديدات الببتيد، مثل الكولاجين والحرير، مواد متوافقة حيوياً تُستخدم في أبحاث رائدة، نظراً لانخفاض تكلفتها وسهولة الحصول عليها. ويُستخدم بوليمر الجيلاتين عادةً في تضميد الجروح حيث يعمل كمادة لاصقة. كما تسمح الدعامات والأغشية المصنوعة من الجيلاتين بحمل الأدوية والمغذيات الأخرى التي تُغذي الجرح وتُساعد على التئامه.

بما أن الكولاجين هو أحد البوليمرات الحيوية الأكثر شيوعًا المستخدمة في العلوم الطبية الحيوية، فإليك بعض الأمثلة على استخدامها:

أنظمة توصيل الأدوية القائمة على الكولاجين: تعمل أغشية الكولاجين كغشاء حاجز ، وتُستخدم لعلاج التهابات الأنسجة مثل التهاب القرنية أو سرطان الكبد. ^{[ 14 ]} وقد استُخدمت أغشية الكولاجين أيضًا كناقلات لتوصيل الجينات التي تُحفز تكوين العظام.

إسفنجات الكولاجين: تُستخدم إسفنجات الكولاجين كضمادات لعلاج ضحايا الحروق والجروح الخطيرة الأخرى. وتُستخدم غرسات الكولاجين لخلايا الجلد المستنبتة أو حاملات الأدوية لعلاج جروح الحروق واستبدال الجلد. ^{[ 14 ]}

الكولاجين كمادة مرقئة للدم : عندما يتفاعل الكولاجين مع الصفائح الدموية، فإنه يُسبب تخثرًا سريعًا للدم. يُنتج هذا التخثر السريع هيكلًا مؤقتًا يسمح بتجديد النسيج الليفي بواسطة خلايا الجسم. تُقلل المادة المرقئة للدم القائمة على الكولاجين من فقدان الدم في الأنسجة وتُساعد في السيطرة على النزيف في أعضاء مثل الكبد والطحال.

الكيتوزان بوليمر حيوي شائع الاستخدام في البحوث الطبية الحيوية. يُستخلص الكيتوزان من الكيتين ، المكون الرئيسي للهيكل الخارجي للقشريات والحشرات، وثاني أكثر البوليمرات الحيوية وفرةً في العالم. ^{[ 7 ]} يتمتع الكيتوزان بخصائص ممتازة عديدة في العلوم الطبية الحيوية، فهو متوافق حيويًا، ونشط حيويًا للغاية، أي أنه يحفز استجابة مفيدة من الجسم، وقابل للتحلل الحيوي، مما قد يُغني عن إجراء جراحة ثانية في تطبيقات الزرع، كما أنه قادر على تكوين مواد هلامية وأغشية، ونفاذيته انتقائية . تتيح هذه الخصائص استخدامات متنوعة للكيتوزان في المجال الطبي الحيوي.

الكيتوزان كناقل للأدوية: يُستخدم الكيتوزان بشكل أساسي في استهداف الأدوية نظرًا لقدرته على تحسين امتصاص الدواء واستقراره. إضافةً إلى ذلك، يُمكن للكيتوزان المُقترن بعوامل مضادة للسرطان أن يُحقق تأثيرات مضادة للسرطان أفضل من خلال إطلاق الدواء تدريجيًا في الأنسجة السرطانية. ^{[ 15 ]}

الكيتوزان كعامل مضاد للميكروبات: يُستخدم الكيتوزان لوقف نمو الكائنات الدقيقة . فهو يؤدي وظائف مضادة للميكروبات في الكائنات الدقيقة مثل الطحالب والفطريات والبكتيريا والبكتيريا موجبة الجرام من أنواع الخميرة المختلفة.

مركب الكيتوزان لهندسة الأنسجة: يُستخدم مسحوق الكيتوزان الممزوج بالألجينات لتكوين ضمادات جروح وظيفية. تُهيئ هذه الضمادات بيئة رطبة ومتوافقة حيوياً، مما يُساعد في عملية الشفاء. كما أن هذه الضمادات قابلة للتحلل الحيوي، ولها بنية مسامية تسمح للخلايا بالنمو داخلها. ^{[ 7 ]} علاوة على ذلك، تُستخدم الكيتوزانات المُثيولة (انظر الثيومرات ) في هندسة الأنسجة والتئام الجروح، حيث أن هذه البوليمرات الحيوية قادرة على التشابك عبر روابط ثنائية الكبريتيد، مُشكلةً شبكات ثلاثية الأبعاد مستقرة. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

الغذاء : تُستخدم البوليمرات الحيوية في صناعة الأغذية لأغراضٍ عديدة، منها التغليف، وأغشية التغليف الصالحة للأكل، وتغطية الأطعمة. يُعد حمض البوليلاكتيك (PLA) شائع الاستخدام في صناعة الأغذية نظرًا للونه الشفاف ومقاومته للماء. مع ذلك، تتميز معظم البوليمرات بطبيعتها المحبة للماء ، وتبدأ بالتلف عند تعرضها للرطوبة. تُستخدم البوليمرات الحيوية أيضًا كأغشية صالحة للأكل لتغليف الأطعمة، حيث تحمل هذه الأغشية موادًا مثل مضادات الأكسدة ، والإنزيمات ، والبروبيوتيك ، والمعادن، والفيتامينات. وبالتالي، يُمكن للطعام المُغلف بغشاء البوليمر الحيوي أن يُزوّد ​​الجسم بهذه العناصر.

التغليف: تُعدّ البوليمرات الحيوية الأكثر شيوعًا في التغليف هي بولي هيدروكسي ألكانوات (PHAs) وحمض البوليلاكتيك (PLA) والنشا . يتوفر النشا وحمض البوليلاكتيك تجاريًا وقابلان للتحلل الحيوي، مما يجعلهما خيارًا شائعًا للتغليف. مع ذلك، فإن خصائصهما الحاجزة (سواءً حاجز الرطوبة أو حاجز الغازات) وخصائصهما الحرارية ليست مثالية. البوليمرات المحبة للماء ليست مقاومة للماء، وتسمح بتسرب الماء عبر العبوة، مما قد يؤثر على محتوياتها. حمض البولي جليكوليك (PGA) هو بوليمر حيوي يتمتع بخصائص حاجزية ممتازة، ويُستخدم حاليًا لتجاوز عيوب الحاجز التي يعاني منها حمض البوليلاكتيك والنشا.

تنقية المياه: يُستخدم الكيتوزان في تنقية المياه. فهو يعمل كمادة مُرَسِّبة تتحلل في البيئة خلال أسابيع أو أشهر قليلة فقط، بدلاً من سنوات. يُنقي الكيتوزان المياه عن طريق التخليب، وهي عملية ترتبط فيها مواقع الربط على طول سلسلة البوليمر بأيونات المعادن الموجودة في الماء، مُكَوِّنةً مُخلِّبات . وقد أثبتت الدراسات أن الكيتوزان خيار ممتاز للاستخدام في معالجة مياه الأمطار ومياه الصرف الصحي. ^{[ 18 ]}

تتميز البوليمرات الحيوية بأنها مستدامة، ومحايدة للكربون، ومتجددة باستمرار ، لأنها تُصنع من مواد نباتية أو حيوانية قابلة للزراعة بلا حدود. وبما أن هذه المواد مشتقة من المحاصيل الزراعية ، فإن استخدامها يُمكن أن يُنشئ صناعة مستدامة . في المقابل، فإن المواد الأولية للبوليمرات المشتقة من البتروكيماويات ستنفد في نهاية المطاف. إضافةً إلى ذلك، تتمتع البوليمرات الحيوية بإمكانية خفض انبعاثات الكربون وتقليل كميات _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وذلك لأن ثاني أكسيد الكربون _{المنبعث} عند تحللها يُمكن إعادة امتصاصه بواسطة المحاصيل التي تُزرع بدلاً منها، مما يجعلها قريبة من الحياد الكربوني .

تتحلل معظم البوليمرات الحيوية في البيئة الطبيعية، حيث تقوم الكائنات الدقيقة بتفكيكها إلى _ثاني أكسيد الكربون والماء . كما أن هذه البوليمرات قابلة للتحلل الحيوي ، إذ يمكن وضعها في عمليات التسميد الصناعية، حيث تتحلل بنسبة 90% خلال ستة أشهر. ويمكن تمييز هذه البوليمرات الحيوية برمز "قابل للتسميد" وفقًا للمعيار الأوروبي EN 13432 (2000). ويمكن وضع العبوات التي تحمل هذا الرمز في عمليات التسميد الصناعية، حيث تتحلل خلال ستة أشهر أو أقل. ومن الأمثلة على البوليمرات القابلة للتسميد غشاء PLA الذي يقل سمكه عن 20 ميكرومترًا، أما الأغشية التي يزيد سمكها عن ذلك فلا تُعتبر قابلة للتسميد، على الرغم من أنها "قابلة للتحلل الحيوي". ^{[ 20 ]} يوجد في أوروبا معيار للتسميد المنزلي وشعار مرتبط به، يمكّن المستهلكين من تحديد العبوات والتخلص منها في كومة السماد الخاصة بهم. ^{[ 19 ]}