Amfifi-co? I na co to komu?

Podstawową właściwością związków amfifilowych wykorzystywaną w najróżniejszych zastosowaniach jest ich skłonność do samoorganizacji w roztworach. Umieszczone w polarnym rozpuszczalniku, na przykład w wodzie, ich cząsteczki gromadzą się na powierzchni, częścią hydrofobową „za zewnątrz” cieczy. Jeśli jest ich na tyle dużo, że stężenie przekracza pewną krytyczną wartość, zaczynają układać się w nanometryczne, kuliste bądź cylindryczne kształty nazywane micelami. Wyglądają one zwykle tak jak te, które widać na zdjęciu.

Wiele właściwości związków amfifilowych i tworzonych przez nie struktur silnie zależy od takich cech budowy jak długość hydrofobowego łańcucha, stosunek mas części hydrofilowej do hydrofobowej, ogólnie rzecz biorąc od szeroko rozumianej architektury cząsteczki. Z tego powodu dąży się do uzyskania jak największej kontroli nad tymi parametrami podczas syntezy.

Wbrew pozorom większe możliwości modyfikacji oferują „duże” cząsteczki otrzymywane metodami polimeryzacji. Mogą się składać z przypadkowo ułożonych merów hydrofilowych i hydrofobowych bądź mery te mogą być zgrupowane w bloki. Warto wspomnieć też o polimerach gwiaździstych, które sferyczne struktury tworzą już jako pojedyncza cząsteczka (tzw. unimolekularne micele).

Ta informacja może dziwić, ponieważ polimery (wytwarzane przez człowieka) posiadają skomplikowaną, nie w pełni regularną strukturę, której opis może być wyłącznie statystyczny. Istnieją jednak techniki pozwalające na dość precyzyjne sterowanie syntezą makrocząsteczek. Są to przede wszystkim metody polimeryzacji żyjącej i pseudożyjącej. Wiele z nich wymaga bardzo wysokiej czystości układu reakcyjnego (zawartości zanieczyszczeń w reagentach nawet poniżej kilku ppm), co może sprawiać niemałe problemy technologiczne.

Po co więc aż taki wysiłek? Precyzyjnie określona budowa i właściwości polimerów amfifilowych pozwalają na zastosowanie ich między innymi w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, chemicznym, wydobywczym (płuczki wiertnicze) i, co chyba najciekawsze, farmaceutycznym. Struktura miceli pozwala na wykorzystanie ich jako nośników trudno rozpuszczalnych leków - a rozpuszczalność jest poważnym problemem przy opracowywaniu substancji aktywnych (API). Poprawia się przy tym wchłanianie leku i jego uwolnienie następuje stopniowo, tak aby zapobiec akumulacji we krwi pacjenta. Innym pomysłem jest wbudowanie w makrocząsteczkę fragmentów fluorescencyjnych (jak na schemacie) oraz takich, które powodują gromadzenie się tej substancji w komórkach nowotworu – w ten sposób możliwe jest obrazowanie tkanek nowotworowych.

Możliwości jest bardzo wiele i choć synteza użytecznych polimerów amfifilowych nie należy do łatwych zadań, nie ma wątpliwości, że odgrywają one i będą odgrywać ważną rolę w wielu dziedzinach.

Grafiki:

• Yu S. i in., Synthesis and Self-Assembly of Amphiphilic Aptamer-Functionalized Hyperbranched Multiarm Copolymers for Targeted Cancer Imaging, „Biomacromolecules” 15 (2014) 1828–1836 – za zgodą prof. Y. Zhou

Pozostałe źródła:

• Florjańczyk Z., Penczek S. (red.), Chemia polimerów, t. 1, wyd. II popr i uzup., OWPW, Warszawa 2001
• Khalatur P. G., Khokhlov A. R., Self-organization of amphiphilic polymers, „Polimery” 74 (1) (2014) 74-79
• Yin L.-G., Amphiphilic Polymers: Crystallization-assisted Self-assembly and Applications in Pharmaceutical Formulation, rozprawa doktorska napisana pod kierunkiem prof. M. A. Hillmyera, University of Minnesota, Minneapolis 2003
• Zinn T. i in., Surfactant or block copolymer micelles? Structural properties of a series of well-defined n-alkyl–PEO micelles in water studied by SANS, „Soft Matter” 10 (2014) 5212-5220
• Chi H. i in., Self-Assembly and Applications of Amphiphilic Hybrid POSS Copolymers, „Molecules” 23 (2018) 2481-2507