Polimery

Związki polimerowe opisuje się jako wielkocząsteczkowe związki zbudowane z powtarzających się podjednostek — merów, jednostek strukturalnych.

Występuje wiele różnych rodzajów polimerów, które podzielić można ze względu na pochodzenie: naturalne, sztuczne, rodzaj merów: homo- i heteropolimery, ułożenie jednostek strukturalnych itd. Aby zobrazować budowę polimerów warto przyjrzeć się dwóm przykładom: polietylenowi i celulozie.

Polietylen to jeden z najprostszych polimerów, składa się on tylko z merów –CH2-CH2– pochodzących od etenu, z którego może zostać otrzymany. Indeks n przy nawiasie oznacza ilość merów wchodzących w skład cząsteczki, wartość tą określa się stopniem polimeryzacji (ang. degree of polymerization, DP). Właściwości polietylenu różnią się w zależności od ilości merów z jakich składają się cząsteczki, oraz ich rozgałęzienia — na potrzeby tej części uznajemy, że cała cząsteczka jest liniowa, wpływ tzw. grup bocznych zostanie omówiony w kolejnych częściach. Polietylen jest polimerem o szerokim spektrum zastosowania np. do produkcji różnego rodzaju opakowań, sprzętu jednorazowego.

Celuloza jest powszechnie występującym polisacharydem, który jako polimer posiada o wiele bardziej złożoną budowę niż polietylen. Jednostką strukturalną w tym przypadku jest D–glukoza. Jest to przykład polimeru nierozgałęzionego, a więc od głównego łańcucha nie są podstawione żadne inne cząsteczki. Pomimo pochodzenia naturalnego i biosyntezy celuloza różni się pomiędzy różnymi gatunkami roślin między innymi długością łańcucha co ma wpływ na hydrolizę tego polisacharydu. Jest stosowana w farmacji jako wypełniacz, środek wiążący oraz rozsadzający; ma duże właściwości higroskopijne co wykorzystuje się m.in. w produkcji tabletek.

Masa cząsteczkowa związków polimerowych

Określenie masy „zwykłych” cząsteczek nie jest trudne, jednak w przypadków polimerów sprawa jest nieco utrudniona. Aby ją obliczyć można zsumować masę wszystkich merów. W tym momencie kluczowy staje się wspomniany już DP, który jest miarą ilości merów. Cząsteczki takie jak paracetamol uzyskujemy zawsze z jednakowym wzorem, jednak polimery często różnią się DP, wynika to choćby z metod otrzymywania. Często synteza polimeru ma charakter pewnej losowości, choć istnieją sposoby na sterowanie sposobem powstawania makrocząstek. Ilość merów znajdujących się w łańcuchu można opisać bardziej jako rozkład, a nie jedną bezwzględną liczbę.

Wraz ze wzrostem DP rośnie długość łańcucha polimerowego, a co za tym idzie w przypadku nierozgałęzionych polimerów, takich jak polietylen, rośnie także siła oddziaływań pomiędzy makrocząsteczkami. Zależność pomiędzy DP a temperaturą topnienia jest proporcjonalna — wraz ze wzrostem ilości merów rośnie T topnienia i tak możemy uzyskać ten sam polimer jako ciecz, miękkie i twarde krystaliczne ciało stałe. Przykładem polimeru wykazującego takie zachowanie jest poli(glikol etylenowy) lub inaczej makrogol (ang.
poly(ethylene glycol), PEG). PEG posiadający DP pomiędzy 100 a 700 jest cieczą w T pokojowej, między 1000 a 2000 jest miękkim ciałem stałym, natomiast powyżej 2000 są to twarde, krystaliczne ciała stałe o T topnienia ok. 63°C. Różnice w właściwościach poszczególnych „frakcji” PEG powodują, że w zależności od rozmiaru cząsteczek jest on stosowany w inny sposób, co obrazuje poniższa tabela.

Innym przykładem wpływu DP na zastosowanie jest praca wiążąca tą wartość z aktywnością biologiczną. Dotyczy to aktywności polimerów flawan-3-oli żurawiny jako środków antyadhezyjnych zmniejszających ilość biofilmu i bakterii na powierzchniach, co przypuszczalnie mogłoby mieć potencjał w terapii zakażeń bakteryjnych. Jak donoszą badacze, tylko niektóre „frakcje” polimeru o konkretnych wartościach DP wykazywały aktywność biologiczną. Ostatnim przykładem wpływu DP jest aktywność enzymów. Wiele enzymów jest niestabilnych i dlatego, aby ją zwiększyć tworzy się połączenia białkowo-polimerowe. Istnieje badanie korelujące DP z aktywnością enzymu. Badacze zanotowali, że wraz ze wzrostem DP dla poli((dimetyloamino)propylo)akrylamidu związanego z lipazą aktywność enzymu rosła.

Z pojęciem DP łączą się także pojęcia takie jak masa molowa, a w przypadku polimerów bardziej użyteczne stają się średnia wagowo masa cząsteczkowa (Mw) i średnia liczbowo masa cząsteczkowa (Mn). Mw i Mn obrazują udział cząsteczek o danej masie w próbce polimeru. Mn to parametr opisujący udział ilości cząstek o danej masie molowej w stosunku do wszystkich cząstek w próbce. Mw natomiast opisuje udziału masy cząstek o danej masie molowej w stosunku do masy całej próbki. Oba te pojęcia opisują próbkę polimeru w nieco inny sposób. W warunkach idealnych, gdzie udałoby nam się przeprowadzić syntezę polimeru tak aby uzyskać tylko cząstki o danej masie obie wartości byłyby zbieżne. Wartości Mn i Mw wylicza się na podstawie następujących wzorów:

Przykładowo jeśli wziąć teoretyczną próbkę polietylenu składającą się tylko z makrocząstek o DP = 100, zawierającą 50 cząstek możemy powiedzieć, że Mn = 100n50/50, gdzie n to masa meru, natomiast Mw = ((100n)^2)50/100n*50. Ostatecznie uzyskujemy Mn = 100n i Mw = 100n, a więc Mn = Mw. Po co prowadzi się takie obliczenia? Dla sytuacji idealnych jest to zbędne, jednak jak powyżej wspomniano podczas polimeryzacji uzyskiwane są polimery o różnym DP, znając Mw i Mn oraz rozkład takich parametrów jak udział ilościowy i masowy makrocząstek o danym DP możemy ocenić jakość próbki oraz procesu polimeryzacji. Im bardziej Mn jest zbieżny z Mw tym lepiej w większości przypadków, świadczy to że uzyskano dość jednorodną próbkę polimeru.

Parametrem mierzącym rozdźwięk pomiędzy Mw i Mn jest stopień dyspersyjności molowej, dyspersyjność (ang. dispersity, Đ). Wyliczana jest ze wzoru:

Đ może być ważnym parametrem w wielu zastosowaniach. Przykładowo duża polidyspersyjność polimeru użytego do uzyskania nośnika leku może skutkować odmiennymi od oczekiwanych profilów uwalniania substancji leczniczej. Jeśli duże mikrocząstki wolniej ulegają degradacji niż mniejsze, a co za tym idzie frakcja związana z małymi cząsteczkami może szybko uwalniać lek zaburzając oczekiwaną kinetykę.

Podsumowanie

Polimery są związkami zbudowanymi z fragmentów zwanych merami, podczas syntezy polimerów uzyskuje się makrocząsteczki o różnej ilości merów. Opis próbki polimeru jest statystycznym ujęciem ilości cząstek o danej masie oraz średniej, jako parametry reprezentujące udział ilościowy i masowy mikrocząstek o danej ilości merów stosuje się średnia wagowo masa cząsteczkowa (Mw) i średnia liczbowo masa cząsteczkowa (Mn). Różnicę pomiędzy Mw i Mn opisuje dyspersyjność. Każdy z wymienionych parametrów może mieć kluczowy wpływ na zastosowanie danego rodzaju polimeru w farmacji, wpływając na tak podstawowe cechy jak stan skupienia po bardziej złożone jak aktywność
biologiczną i kinetykę uwalniania.

Bibliografia

• Busatto, C., Pesoa, J., Helbling, I., Luna, J., & Estenoz, D. (2018). Effect of particle size, polydispersity and polymer degradation on progesterone release from PLGA microparticles: Experimental and mathematical modeling. International journal of pharmaceutics, 536(1), 360-369.
• Danaei, M., Dehghankhold, M., Ataei, S., Hasanzadeh Davarani, F., Javanmard, R., Dokhani, A., … & Mozafari, M. R. (2018). Impact of particle size and polydispersity index on the clinical applications of lipidic nanocarrier systems. Pharmaceutics, 10(2), 57.
• D’souza, A. A., & Shegokar, R. (2016). Polyethylene glycol (PEG): a versatile polymer for pharmaceutical applications. Expert opinion on drug delivery, 13(9), 1257-1275.
• Feng, G., Klein, M. I., Gregoire, S., Singh, A. P., Vorsa, N., & Koo, H. (2013). The specific degree-of-polymerization of A-type proanthocyanidin oligomers impacts Streptococcus mutans glucan-mediated adhesion and transcriptome responses within biofilms. Biofouling, 29(6), 629-640.
• Hallac, B. B., & Ragauskas, A. J. (2011). Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 5(2), 215-225.
• Kovaliov, M., Wright, T. A., Cheng, B., Mathers, R. T., Zhang, X., Meng, D., … &Averick, S. (2020). Toward Next-Generation Biohybrid Catalyst Design: Influence of Degree of Polymerization on Enzyme Activity. Bioconjugate chemistry, 31(3), 939-947.
• Pielichowski, J., & Puszyński, A. (n.d.). Chemia polimerów. Wyd. FOSZE, Rzeszów, 2012, 7-37.
• Rabek, J. (n.d.). Współczesna wiedza o polimerach. Wyd. PWN, Warszawa, 2013, 6 – 43 (I).

Autor

mgr. farm Michał Rudko — magister farmacji (Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu). Zainteresowany między innymi chemią w szczególności chemią organiczną, syntetyczną, polimerów, krystalografią, modelowaniem molekularnym i epidemiologicznym oraz historią.

Uwaga

Pierwotnie powyższy tekst został opublikowany w czasopiśmie Pharmacopola, numer 3/2021