کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی: 1- معرفی و کاربرد

نوع مقاله: تالیفی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی پلیمر/دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، دانشکده شیمی

2 هیات علمی/دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان

3 هیات علمی/ دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، دانشکده علوم زیستی

چکیده

به ترکیبات پلیمری که در pH خنثی دارای مجموعه‌ای از بارهای مثبت و/یا منفی هستند، پلی‌الکترولیت گفته می‌شود. بسیاری از مواد به‌دلیل داشتن گروه‌های یونی مثبت یا منفی روی سطح به‌عنوان پلی‌الکترولیت مورد توجه هستند. کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی (PEC) در اثر برهم‌کنش‌های الکتروستاتیک میان دو یا چند پلیمر با بارهای مخالف تشکیل می‌شوند. پلیمرهای استفاده‌شده برای تهیه کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی می‌توانند دارای منشأ طبیعی یا سنتزی باشند. اکثر پژوهشگران بر این عقیده هستند که تشکیل PEC پدیده‌ای آنتروپی‌محور است. رهایش یون‌های همراه با جرم مولکولی کم (یون‌های همراه با یون‌های باردار روی زنجیر پلیمری) همان نیروهای مؤثر برای تشکیل PECها در محلول‌های آبی هستند و موجب افزایش آنتروپی سامانه می‌شوند. از جمله مزایای کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی زیست‌سازگاری زیاد، زیست‌تخریب‌پذیری عالی، عدم سمیت و هزینه و انرژی‌بری کم تولید آن‌هاست. عوامل مختلف مانند چگالی بار، جرم مولکولی، غلظت نمک، pH محیط واکنش، قدرت یونی و نسبت اختلاط در تشکیل کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی موثرند. در این مقاله به خواص، سازوکار، برهم‌کنش‌های موثر بر تشکیل، مدل‌های مختلف تشکیل کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی، کاربردها و روش‌های مختلف سنتز آن‌ها پرداخته شده است. کمپلکس‌های پلی‌الکترولیتی به‌دلیل رهایش کنترل‌شده دارو در بافت هدف، ماندگاری و تنظیم سرعت رهایش دارو، به‌عنوان حامل پلیمری در سامانه‌های دارورسانی بسیار مورد توجه هستند. همچنین از آن‌ها می‌توان در رهایش ژن، واکسن و پروتئین، مهندسی بافت و ساخت غشا استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Polyelectrolyte Complexes: Introduction and Application-Part I

نویسندگان [English]

  • Soheil Amani 1
  • Zahra Mohamadnia 2
  • Atiyeh Mahdavi 3
1 MSc student/Department of Chemistry, Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)
2 Academic Staff, Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)
3 Academic Staff/Department of Biological Sciences, Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)
چکیده [English]

Polymeric materials carrying positive and/or negative charges at neutral pH are referred as "polyelectrolytes". Many kinds of materials are considered as polyelectrolytes because they bear ionic groups of positive or negative charges on their surfaces. The interaction between two or more opposite charged polyelectrolytes in solution forms a polyelectrolyte complex (PEC). Polymers used for PEC formation are classified on the basis of origin as natural and synthetic. The worldwide agreement among investigators is that the PEC formation is an entropy-driven phenomenon. The contributing force for the formation of PECs in aqueous solutions is the release of low molecular weight counter ions (which were previously associated with the charged groups on polymer chains) that result in an increase in entropy of the system. PECs have many advantages such as high biodegradability, excellent biocompatibility, non-toxicity, low cost, low energy requirement for their production. There are numerous parameters affecting PEC formation including charge density, molecular weight, and salt concentration, pH of the reaction medium, ionic strength and mixing ratio. This article presents the properties of PEC, mechanism of PEC formation, factors affecting the formation of PEC, different methods for PEC synthesis and application of PECs. PEC is an emerging system for drug delivery to target sites, sustained and thereby prolonging the therapeutic action. They are also used in gene, protein and vaccine delivery, tissue engineering and fabrication of membranes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyelectrolyte
  • polyelectrolyte complex
  • application
  • synthesis
  • drug delivery
1. Meka V.S., Sing M.K., Pichika M.R., Nali S.R., Kolapalli V.R., and Kesharwani P.A., Comprehensive Review on Polyelectrolyte Complexes, Drug Discovery Today, 22, 1697-1706, 2017.
2. Delair T., Colloidal Polyelectrolyte Complexes of Chitosan and Dextran Sulfate Towards Versatile Nanocarriers of Bioactive Molecules, Eur. J. Pharm. Biopharm., 78, 10–18, 2011.
3. Philipp B., Dautzenberg H., Linow K.J., Kotz J., and Dawydoff W., Polyelectrolyte Complexes Recent Developments and
Open Problems, Prog. Polym. Sci., 14, 91–172, 1989.
4. Koetz J. and Kosmella S., Polyelectrolytes and Nanoparticles, Springer, Berlin, 2007.
5. Robertis S.D., Bonferoni M.C., Elviri L., Sandri G., Caramella C., and Bettini R., Advances in Oral Controlled Drug Delivery: The Role of Drug–Polymer and Interpolymer Non-Covalent Interactions, Expert Opin. Drug Delivery, 12, 441–453, 2015.
6. Kulkarni A.D., Vanjari Y.H., Sancheti K.H., Patel H.M., Belgamwar V.S., Surana S.J., and Pardeshi C.V., Polyelectrolyte Complexes: Mechanisms, Critical Experimental Aspects, and Applications, Artif. Cells Nanomed. Biotechnol., 44, 1615- 1625, 2016.
7. Pergushov D.V., Muller A.H.E., and Schacher F.H., Micellar Interpolyelectrolyte Complexes, Chem. Soc. Rev., 41, 6888–
6901, 2012.
8. Bartkowiak A., Optimal Conditions of Transplantable Binary Polyelectrolyte Microcapsules, Ann. N. Y. Acad. Sci., 944,
120-134, 2001.
9. Kabanov A.V. and Zezin A.B., Soluble Interpolymeric Complexes As A New Class of Synthetic Polyelectrolytes, Pure
Appl. Chem., 56, 343–354, 1984. 
10. Tsuchida E. and Abe K., Interactions Between Macromolecules in Solution and Intermacromolecular Complexes,
Springer, Berlin, Heidelberg, 1-119, 1982.
11. Van der Gucht J., Spruijt E., Lemmers M., and Stuart M.A.C., Polyelectrolyte Complexes: Bulk Phases and Colloidal Systems, J. Colloid Interface Sci., 361, 407-422, 2011.

12. Dautzenberg H., Linow K.J., and Philipp B., Anionic to Form Water-Soluble Polysalts (Symplexes) and Cationic Copolymers of Acrylamide, Acta Polym., 33, 619–623, 1982.
13. Shovsky A., Varga I., Makuska R., and Claesson P.M., Formation and Stability of Water-Soluble, Molecular Polyelectrolyte Complexes: Effects of Charge Density, Mixing Ratio, and Polyelectrolyte Concentration, Langmuir, 25, 6113–6121,  2009.
14. Hu Y., Yang T., and Hu X., Novel Polysaccharides-Based Nanoparticle Carriers Prepared by Polyelectrolyte Complexation for Protein Drug Delivery, Polym. Bull., 68, 1183–1199, 2012.
15. Dautzenberg H., Polyelectrolyte Complex Formation in Highly Aggregating Systems. 1. Effect of Salt: Polyelectrolyte
Complex Formation in the Presence of NaCl, Macromolecules, 30, 7810–7815, 1997.
16. Dautzenberg H. and Kriz J., Response of Polyelectrolyte Complexes to Subsquent Addition of Salts with Different Cations, Langmuir, 19, 5204-5211, 2003.
17. Fukuda H. and Kikuchi Y., Polyelectrolyte Complexes of Sodium Dextran Sulfate with Chitosan, Die Makromol. Chem.,
178, 2895-2899, 1977.
18. Müller M., Keßler B., Fröhlich J., Poeschla S., and Torger B., Polyelectrolyte Complex Nanoparticles of Poly (Ethyleneimine) and Poly (Acrylic Acid): Preparation and Applications, Polymers, 3, 762-778, 2011.
19. Berger J., Reist M., Mayer J.M., Felt O., and Gurny R., Structure and Interactions in Chitosan Hydrogels Formed by Complexation or Aggregation for Biomedical Applications, Eur. J. Pharm. Biopharm., 57, 35-52, 2004.
20. Kindermann C., Matthée K., Strohmeyer J., Sievert F., and Breitkreutz J., Tailor-Made Release Triggering from Hot-Melt Extruded Complexes of Basic Polyelectrolyte and Poorly Water-Soluble Drugs, Eur. J. Pharm. Biopharm., 79, 372–381, 2011.
21. Shi D., Ran M., Zhang L., Huang H., Li X., Chen M., and  Akashi M., Fabrication of Biobased Polyelectrolyte Capsules
and Their Application for Glucose-Triggered Insulin Delivery, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 13688-13697, 2016.
22. Pardeshi C.V., Rajput P.V., Belgamwar V.S., Tekade A.R., Patil G.B., and Chaudhary K.S., Solid Lipid Based Nanocarriers: An Overview, Acta Pharm., 62, 433–472, 2012.
23. Wu D. and Delair T., Stabilization of Chitosan/Hyaluronan Colloidal Polyelectrolyte Complexes in Physiological Conditions, Carbohydr. Polym., 119, 149–158, 2015.
24. Martins A.F., Pereira A.G.B., Fajardo A.R., Rubira A.F., and Muniz E.C., Characterization of Polyelectrolytes Complexes
Based on N,N,N-Trimethyl Chitosan/ Heparin Prepared at Different pH Conditions, Carbohydr. Polym., 86, 1266–1272,
2011.
25. Sarika P.R. and James N.R., Polyelectrolyte Complex Nanoparticles from Cationised Gelatin and Sodium Alginate
for Curcumin Delivery, Carbohydr. Polym., 148, 354-361, 2016.
26. Folchman-Wagner Z., Zaro J., and Shen W.C., Characterization of Polyelectrolyte Complex Formation between Anionic
and Cationic Poly(amino acids) and Their Potential Applications in pH-Dependent Drug Delivery, Molecules, 22, 1089-
1103, 2017.
27. Mukhopadhyay P., Chakraborty S., Bhattacharya S., Mishra R., and Kundu P.P., pH-Sensitive Chitosan/Alginate Core-
Shell Nanoparticles for Efficient and Safe Oral Insulin Delivery, Int. J. Biol. Macromol., 72, 640-648, 2015.
28. Amaduzzi F., Bomboi F., Bonincontro A., Bordi F., Casciardi S., Chronopoulou L., and Sennato S., Chitosan–DNA Complexes: Charge Inversion and DNA Condensation, Colloids Surf., B, 114, 1-10, 2014.
29. Csaba N., Garcia-Fuentes M., and Alonso M.J., Nanoparticles for Nasal Vaccination, Adv. Drug Delivery Rev., 61, 140-157, 2009.
30. Ceccaldi C., Bushkalova R., Alfarano C., Lairez O., Calise D., Bourin P., and Sallerin B., Evaluation of Polyelectrolyte Complex-Based Scaffolds for Mesenchymal Stem Cell Therapy in Cardiac Ischemia Treatment, Acta Biomater., 10, 901-911, 2014.
31. Zhao Q., An Q.F., Liu T., Chen J.T., Chen F., Lee K.R., and Gao C.J., Bio-Inspired Polyelectrolyte Complex/Graphene
Oxide Nanocomposite Membranes with Enhanced Tensile Strength and Ultra-Low Gas Permeability, Polym. Chem., 4,
4298-4302, 2013.