BİYOPOLİMERLER |
DNA’nın yapısında , çift sarmal yapıyı oluşturan bir çift biyopolimer, polinükleotid bulunur.
Biyopolimerler, canlı organizmaların hücreleri tarafından üretilen doğal polimerlerdir. Biyopolimerler, daha büyük moleküller oluşturmak için kovalent olarak bağlanan monomerik birimlerden oluşur. Kullanılan monomerlere ve oluşan biyopolimerin yapısına göre sınıflandırılan üç ana biyopolimer sınıfı vardır: polinükleotidler, polipeptidler ve polisakkaridler. RNA ve DNA gibi polinükleotidler, 13 veya daha fazla nükleotid monomerinden oluşan uzun polimerlerdir. Polipeptitler ve proteinler, amino asitlerin polimerleridir ve bazı önemli örnekler arasında kolajen, aktin ve fibrin bulunur. Polisakkaritler doğrusal veya dallı polimerik karbonhidratlardır ve örnekler arasında nişasta, selüloz ve aljinat yer alır. Biyopolimerlerin diğer örnekleri arasında, doğal kauçuklar (polimerleri izopren), mantarözü ve lignin (karmaşık polifenolik polimerleri), kütini ve Cutan (uzun zincirli kompleks polimerleri yağ asitleri) ve melanindir.
Biyopolimerlerin gıda endüstrisi, imalat, paketleme ve biyomedikal mühendisliği gibi çeşitli uygulamaları vardır.
BİYOPOLİMERLERE KARŞI SENTETİK POLİMER
Yapılarında biyopolimerler ve sentetik polimerler arasında önemli bir tanımlayıcı fark bulunabilir. Tüm polimerler, monomer adı verilen tekrar eden birimlerden yapılmıştır. Biyopolimerler genellikle iyi tanımlanmış bir yapıya sahiptir, ancak bu tanımlayıcı bir özellik değildir (örnek: lignoselüloz): Bu birimlerin düzenlendiği tam kimyasal bileşim ve diziye , proteinler durumunda birincil yapı denir . Birçok biyopolimer kendiliğinden karakteristik kompakt şekillere katlanır, biyolojik işlevlerini belirleyen ve karmaşık bir şekilde birincil yapılarına bağlı olan. Yapısal biyoloji , biyopolimerlerin yapısal özelliklerinin incelenmesidir. Buna karşılık, çoğu sentetik polimer çok daha basit ve daha rastgele (veya stokastik) yapılara sahiptir. Bu gerçek, biyopolimerlerde eksik olan bir moleküler kütle dağılımına yol açar. Aslında, sentezleri çoğu in vivo sistemde şablona yönelik bir işlemle kontrol edildiğinden , bir tipteki tüm biyopolimerlerin (örneğin belirli bir protein) hepsi birbirine benzer: hepsi benzer dizileri ve monomer sayılarını içerir ve bu nedenle hepsi aynı kütle. Bu fenomen, polidispersitenin aksine monodispersite olarak adlandırılır.sentetik polimerlerde karşılaşılır. Sonuç olarak, biyopolimerlerin polidispersite indeksi 1’dir. [1]
KURALLAR VE TERİMLER
POLİPEPTİDLER
Bir polipeptidin konvansiyonu , amino terminalinden karboksilik asit terminaline kadar meydana geldiklerinde onun kurucu amino asit kalıntılarını listelemektir. Amino asit kalıntıları her zaman peptit bağlarıyla birleştirilir . Protein , herhangi bir polipeptide atıfta bulunmak için halk dilinde kullanılsa da, daha büyük veya tamamen işlevsel formları ifade eder ve birkaç polipeptit zincirinden ve tek zincirlerden oluşabilir. Proteinler ayrıca sakkarit zincirleri ve lipidler gibi peptit olmayan bileşenleri içerecek şekilde modifiye edilebilir.
NÜKLEİK ASİTLER
Bir nükleik asit dizisinin konvansiyonu , nükleotidlerin polimer zincirinin 5 ‘ucundan 3′ ucuna kadar meydana geldiklerinde listelenmesidir; burada 5′ ve 3’, oluşmaya katılan riboz halkası etrafındaki karbonların numaralandırılmasını ifade eder. zincirin fosfat diester bağları. Böyle bir diziye biyopolimerin birincil yapısı denir.
ŞEKER
Şeker polimerleri doğrusal veya dallı olabilir ve tipik olarak glikosidik bağlarla birleştirilir. Bağın tam yerleşimi değişebilir ve bağlanan fonksiyonel grupların yönelimi de önemlidir, bu da halka içindeki bağlayıcı karbonların konumunun numaralandırılmasıyla birlikte a- ve p-glikosidik bağlarla sonuçlanır. Ek olarak birçok sakkarit birimi, aminasyon gibi çeşitli kimyasal modifikasyonlara uğrayabilir ve hatta glikoproteinler gibi diğer moleküllerin parçalarını oluşturabilir.
YAPISAL KARAKTERİZAYON
Sekans bilgilerini belirlemek için bir dizi biyofiziksel teknik vardır. Protein sekansı ile tespit edilebilir, Edman degradasyonu ve içerisinde N-terminal kalıntılarını tespit sonra, her seferinde zinciri bir hidrolize türetilmiş ve edilmektedir. Kütle spektrometresi teknikleri de kullanılabilir. Nükleik asit dizisi, jel elektroforezi ve kapiler elektroforez kullanılarak belirlenebilir. Son olarak, bu biyopolimerlerin mekanik özellikleri genellikle optik cımbız veya atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak ölçülebilir. Çift polarizasyonlu interferometri pH, sıcaklık, iyonik kuvvet veya diğer bağlanma ortakları tarafından uyarıldığında bu materyallerin konformasyonel değişikliklerini veya kendi kendine birleşmesini ölçmek için kullanılabilir.
YAYGIN BİYOPOLİMERLER
Kolajen: [2] Kolajen, omurgalıların birincil yapısıdır ve memelilerde en bol bulunan proteindir. Bu nedenle kolajen, en kolay ulaşılabilen biyopolimerlerden biridir ve birçok araştırma amacıyla kullanılmaktadır. Mekanik yapısı nedeniyle yüksek gerilme mukavemetine sahip olan kolajen, toksik olmayan, kolay emilebilen, biyolojik olarak parçalanabilen ve biyouyumlu bir malzemedir. Bu nedenle doku enfeksiyonu tedavisi, ilaç verme sistemleri ve gen tedavisi gibi birçok tıbbi uygulamada kullanılmıştır.
İpek fibroin: [3] İpek Fibroin (SF), dut kurdu Bombyx mori gibi farklı ipek kurdu türlerinden elde edilebilen başka bir protein bakımından zengin biyopolimerdir. Kolajenin aksine, SF daha düşük bir gerilme direncine sahiptir ancak çözünmez ve lifli protein bileşimi nedeniyle güçlü yapışkan özelliklere sahiptir. Son çalışmalarda, ipek fibroininin antiagülasyon özelliklerine ve trombosit yapışmasına sahip olduğu bulunmuştur. İpek fibroinin ayrıca in vitro kök hücre proliferasyonunu desteklediği bulunmuştur.
Jelatin: Jelatin, sistein içeren tip I kolajenden elde edilir ve kolajenin hayvanların kemiklerinden, dokularından ve derilerinden kısmi hidrolizi ile üretilir. [4]İki tip jelatin vardır, Tip A ve Tip B. Tip A kollajen, kollajenin asit hidrolizi ile elde edilir ve% 18.5 nitrojene sahiptir. Tip B,% 18 nitrojen içeren ve amid grupları içermeyen alkalin hidroliziyle elde edilir. Yüksek sıcaklıklar jelatinin erimesine ve bobin olarak var olmasına neden olurken, daha düşük sıcaklıklar bobinden helise dönüşüme neden olur. Jelatin, jelatinin nonopartiküller ve biyomoleküller kullanılarak değiştirilmesine izin veren NH2, SH ve COOH gibi birçok fonksiyonel grup içerir. Jelatin, yara sargıları, ilaç dağıtımı ve gen transfeksiyonu gibi uygulamalar için uygulanmasına izin veren bir Hücre Dışı Matriks proteinidir. [4]
Nişasta: Nişasta, biyolojik olarak parçalanabilen ucuz bir biyopolimerdir ve bol miktarda tedarik edilir. Nişastanın mekanik özelliklerini artırmak için esnekliği ve mukavemeti artırmak için polimer matrisine nano fiberler ve mikro fiberler eklenebilir. Lifler olmadan nişasta, neme olan duyarlılığı nedeniyle zayıf mekanik özelliklere sahiptir. Biyolojik olarak parçalanabilen ve yenilenebilen nişasta, plastikler ve farmasötik tabletler dahil birçok uygulamada kullanılmaktadır.
Selüloz: Selüloz, stabilite ve güçle sonuçlanan istiflenmiş zincirlerle çok yapılandırılmıştır. Mukavemet ve stabilite , glikojen bağlarıyla bir araya getirilen glikoz monomerlerinin neden olduğu selülozun daha düz şeklinden gelir . Düz şekil, moleküllerin sıkıca paketlenmesine izin verir. Selüloz, bol tedariki, biyouyumluluğu ve çevre dostu olması nedeniyle uygulamada çok yaygındır. Selüloz, büyük ölçüde nano-selüloz adı verilen nano-fibriller şeklinde kullanılır. Düşük konsantrasyonlarda sunulan nano-selüloz şeffaf bir jel materyali üretir. Bu malzeme, biyomedikal alanda çok yararlı olan biyolojik olarak parçalanabilen, homojen, yoğun filmler için kullanılabilir.
Aljinat: Aljinat , kahverengi deniz yosunundan elde edilen en bereketli deniz doğal polimeridir. Aljinat biyopolimer uygulamaları paketleme, tekstil ve gıda endüstrisinden biyomedikal ve kimya mühendisliğine kadar uzanmaktadır. Aljinatın ilk uygulaması, jel benzeri ve emici özelliklerinin keşfedildiği yara sargısı şeklindeydi. Aljinat yaralara uygulandığında, iyileşme ve doku rejenerasyonu için optimal olan ve sabit bir sıcaklık ortamı sağlayan koruyucu bir jel tabakası üretir. İlaveten, ilaç salım hızı çeşitli aljinat yoğunlukları ve lifli bileşim nedeniyle kolaylıkla manipüle edilebildiğinden, bir ilaç verme ortamı olarak aljinat ile ilgili gelişmeler olmuştur.
BİYOPOLİMER UYGULAMALARI
BİYOMEDİKAL
Biyomedikal mühendisliğinin temel amaçlarından biri, normal vücut fonksiyonlarını sürdürmek için vücut parçalarını taklit etmek olduğu için, biyo-uyumlu özellikleri nedeniyle biyopolimerler doku mühendisliği, tıbbi cihazlar ve ilaç endüstrisi için büyük ölçüde kullanılmaktadır. [2] Birçok biyopolimer, mekanik özelliklerinden dolayı rejeneratif tıp , doku mühendisliği, ilaç dağıtımı ve genel tıbbi uygulamalar için kullanılabilir. Yara iyileşmesi ve biyo-aktivitenin katalizi ve toksik olmama gibi özellikler sağlarlar. [5] Bozulmadan sonra immünojenik red ve toksisite gibi çeşitli dezavantajlar gösterebilen sentetik polimerlerle karşılaştırıldığında, birçok biyopolimer normalde vücut entegrasyonunda daha iyidir çünkü insan vücuduna benzer daha karmaşık yapılara sahiptir.
Daha spesifik olarak, kolajen ve ipek gibi polipeptitler, ucuz ve kolayca elde edilebilen malzemeler olduğundan, çığır açan araştırmalarda kullanılan biyo-uyumlu malzemelerdir. Jelatin polimeri genellikle yapışkan görevi gördüğü pansuman yaralarında kullanılır. Jelatinli iskeleler ve filmler, iskelelerin, iyileşmek için bir yaraya tedarik etmek için kullanılabilecek ilaçları ve diğer besinleri tutmasına izin verir.
Kolajen, biyomedikal bilimde kullanılan en popüler biyopolimerlerden biri olduğu için, kullanımlarına ilişkin bazı örnekler aşağıda verilmiştir:
[7] Kolajen matrisler veya süngerler, doku yeniden büyümesi ve takviye için yaraları tedavi etmek için kullanılabilir.
Kollajen bazlı ilaç dağıtım sistemleri: kollajen filmler bir bariyer membran gibi davranır ve enfekte kornea dokusu veya karaciğer kanseri gibi doku enfeksiyonlarını tedavi etmek için kullanılır. [6] Kolajen filmlerin tümü, kemik oluşumunu teşvik edebilen gen dağıtım taşıyıcıları için kullanılmıştır.
Hemostat olarak kollajen: Kollajen trombositlerle etkileşime girdiğinde hızlı bir kan pıhtılaşmasına neden olur. Bu hızlı pıhtılaşma geçici bir çerçeve oluşturur, böylece fibröz stroma konakçı hücreler tarafından yeniden oluşturulabilir. Kolajen baz hemostatı dokulardaki kan kaybını azaltır ve karaciğer ve dalak gibi hücresel organlarda kanamanın yönetilmesine yardımcı olur.
Kitosan, biyomedikal araştırmalarda bir başka popüler biyopolimerdir. Kitosan, kabuklu hayvanların ve böceklerin dış iskeletindeki ana bileşendir ve dünyadaki en bol ikinci biyopolimerdir. [2] Kitosan, biyomedikal bilim için birçok mükemmel özelliğe sahiptir. Kitosan biyouyumludur, oldukça biyoaktiftir, yani vücuttan yararlı bir tepkiyi uyarır, implant uygulamalarında ikinci bir ameliyatı ortadan kaldırabilen biyolojik olarak parçalanabilir, jeller ve filmler oluşturabilir ve seçici olarak geçirgendir. Bu özellikler, Chitosan’ın çeşitli biyomedikal uygulamalarına izin verir.
İlaç dağıtımı olarak kitosan: Kitosan, ilaç emilimini ve stabilitesini geliştirme potansiyeline sahip olduğu için esas olarak ilaç hedeflemede kullanılır. ilaveten antikanser ajanlar ile konjüge edilmiş kitosan, serbest ilacın kademeli olarak kanserli dokuya salınmasına neden olarak daha iyi antikanser etkileri de üretebilir.
Bir anti-mikrobiyal ajan olarak kitosan: Kitosan mikroorganizmaların büyümesini durdurmak için kullanılır. Algler, mantarlar, bakteriler gibi mikroorganizmalarda ve farklı maya türlerinin gram pozitif bakterilerinde antimikrobiyal işlevler yerine getirir .
Doku mühendisliği için kitosan kompozit: Kitosan’ın aljinat ile harmanlanmış gücü, fonksiyonel yara örtüleri oluşturmak için birlikte kullanılır. Bu pansumanlar, iyileşme sürecine yardımcı olan nemli bir ortam yaratır. Bu yara örtüsü aynı zamanda biyolojik olarak çok uyumludur, biyolojik olarak parçalanabilir ve hücrelerin örtü içinde büyümesine izin veren gözenekli yapılara sahiptir. [2]
ENDÜSTRİYEL
Gıda: Biyopolimerler, gıda endüstrisinde ambalajlama, yenilebilir kapsülleme filmleri ve yiyeceklerin kaplanması gibi şeyler için kullanılmaktadır. Polilaktik Asit (PLA), berrak rengi ve suya dayanıklılığı nedeniyle gıda endüstrisinde çok yaygındır. Bununla birlikte, çoğu polimer hidrofilik bir yapıya sahiptir ve neme maruz kaldığında bozulmaya başlar. Biyopolimerler ayrıca gıdaları içine alan yenilebilir filmler olarak kullanılmaktadır. Bu filmler antioksidanlar, enzimler, probiyotikler, mineraller ve vitaminler gibi şeyler taşıyabilir . Biyopolimer film ile kapsüllenmiş olarak tüketilen yiyecek, bunları vücuda sağlayabilir.
Ambalaj: Paketlemede kullanılan en yaygın biyopolimerler, polihidroksialkanoat (PHA), polilaktik asit (PLA) ve nişastadır . Nişasta ve PLA, ticari olarak biyolojik olarak parçalanabilir ve bu da onları paketleme için ortak bir seçim haline getirir. Ancak bariyer özellikleri ve termal özellikleri ideal değildir. Hidrofilik polimerler suya dayanıklı değildir ve ambalajın içindekileri etkileyebilecek şekilde suyun ambalajdan geçmesine izin verir. Poliglikolik asit (PGA), büyük bariyer özelliklerine sahip bir biyopolimerdir ve şu anda PLA ve nişastadan kaynaklanan bariyer engellerini düzeltmek için kullanılmaktadır.
Su arıtma: Suyun arıtılması için kitosan adı verilen daha yeni bir biyopolimer kullanılmıştır. Kitosan bir topaklaştırıcı olarak kullanılır ve çevreye ayrışması yıllar yerine yalnızca birkaç hafta veya ay sürer. Kitosan, sudaki metalleri uzaklaştırdığında şelasyon yoluyla suyu sağlar. Şelasyon, polimer zinciri boyunca bağlanma yerlerinin su oluşturan klelatlardaki metal ile bağlandığı zamandır. Kitosan, birçok durumda kirlenmiş olabilecek fırtına veya atık suyu temizlemek için kullanılmıştır.
MATERYAL OLARAK
PLA , doğal olarak oluşan zein ve poli-3-hidroksibutirat gibi bazı biyopolimerler, polistiren veya polietilen bazlı plastiklere olan ihtiyacın yerini alacak şekilde plastik olarak kullanılabilir.
Bazı plastikler artık ‘parçalanabilir’, ‘oksi ile parçalanabilir’ veya ‘UV ile parçalanabilir’ olarak anılmaktadır. Bu, ışığa veya havaya maruz kaldıklarında parçalandıkları anlamına gelir, ancak bu plastikler hala esas olarak (yüzde 98’e kadar) yağ esaslıdır ve şu anda Ambalaj ve Ambalaj Atıklarıyla ilgili Avrupa Birliği direktifi (94/62/EC). Biyopolimerler bozulur ve bazıları evsel kompostlama için uygundur. [8]
Biyopolimerler (yenilenebilir polimerler olarak da adlandırılır) ambalaj endüstrisinde kullanılmak üzere biyokütleden üretilir. Biyokütle, şeker pancarı, patates veya buğday gibi mahsullerden gelir: Biyopolimer üretmek için kullanıldıklarında bunlar gıda dışı mahsuller olarak sınıflandırılır . Bunlar aşağıdaki yollarla dönüştürülebilir:
Şeker pancarı> Glikonik asit> Poliglikonik asit
Nişasta> (fermentasyon)> Laktik asit > Polilaktik asit (PLA)
Biyokütle> (fermentasyon)> Biyoetanol > Eten > Polietilen
Biyopolimerlerden birçok ambalaj türü yapılabilir: gıda tepsileri, kırılgan malların nakliyesi için şişirilmiş nişasta peletleri, ambalaj için ince filmler.
ÇEVRESEL ETKİLER
Biyopolimerler sürdürülebilir, karbon nötr olabilir ve her zaman yenilenebilir çünkü sonsuza kadar yetiştirilebilen bitki malzemelerinden yapılırlar. Bu bitki malzemeleri, tarımsal gıda dışı ürünlerden gelir . Bu nedenle, biyopolimerlerin kullanımı sürdürülebilir bir endüstri yaratacaktır. Bunun aksine, petrokimyasallardan türetilen polimerler için hammaddeler sonunda tükenecektir. Buna ek olarak, biyopolimerler kesme potansiyeline sahip karbon emisyonları ve CO2 azaltmak atmosferde miktarları: CO, çünkü bu 2 bu yakın bunları yapar: onları değiştirmek için yetiştirilen bitkiler tarafından emilir edilebilir bozulduğunda serbest nötr karbondur.
Biyopolimerler biyolojik olarak parçalanabilir ve bazıları da kompostlanabilir. Bazı biyopolimerler olan biyolojik olarak parçalanabilir : bunlar CO ayrılır 2 ile ve su mikroorganizmaların. Bu biyolojik olarak parçalanabilir biyopolimerlerden bazıları kompostlanabilir: endüstriyel bir kompostlama sürecine dahil edilebilirler ve altı ay içinde% 90 oranında bozulurlar. Bunu yapan biyopolimerler, Avrupa Standardı EN 13432 (2000) altında “gübrelenebilir” bir sembolle işaretlenebilir. Bu simgeyle işaretlenmiş ambalajlar, endüstriyel kompostlama işlemlerine alınabilir ve altı ay veya daha kısa bir süre içinde bozulur. Kompostlanabilir bir polimerin bir örneği, 20 um kalınlığın altındaki PLA filmdir: “biyolojik olarak parçalanabilir” olsalar bile kompostlanabilir olarak nitelendirilenden daha kalın olan filmler. [9] Avrupa’da, tüketicilerin kendi kompost yığınlarındaki ambalajları belirleyip imha etmelerini sağlayan bir evde kompostlama standardı ve ilgili logo bulunmaktadır. [8]
KAYNAKÇA
|
