Wdrukowanie molekularne

Ten artykuł dotyczy chemii polimerów. Termin „imprinting molekularny” jest również używany w znaczeniu imprintingu genetycznego .

Wdrukowanie molekularne to technika tworzenia wnęk w matrycach polimerowych w kształcie szablonu z określoną selektywnością i wysokim powinowactwem. Technika ta opiera się na systemie używanym przez enzymy do rozpoznawania substratów , zwanym modelem „zamka i klucza”. Aktywne miejsce wiązania enzymu ma kształt specyficzny dla substratu. Substraty o kształcie komplementarnym do miejsca wiązania selektywnie wiążą się z enzymem; alternatywne kształty, które nie pasują do miejsca wiązania, nie są rozpoznawane.

Materiały z nadrukiem molekularnym są przygotowywane przy użyciu cząsteczki szablonu i funkcjonalnych monomerów , które gromadzą się wokół szablonu, a następnie ulegają wzajemnemu usieciowaniu. Monomery, które są samoorganizujące się wokół cząsteczki matrycy w wyniku interakcji między grupami funkcyjnymi zarówno na matrycy, jak i monomerach, są polimeryzowane w celu utworzenia matrycy z nadrukiem (powszechnie znanej w społeczności naukowej jako polimer z nadrukiem molekularnym (MIP)). Szablon jest następnie usuwany częściowo lub całkowicie, pozostawiając wnękę o rozmiarze i kształcie dopełniającym szablon. Uzyskana wnęka może działać jako selektywne miejsce wiązania dla szablonowanej cząsteczki.

Preparation of molecularly imprinted material

W ostatnich dziesięcioleciach opracowano technikę imprintingu molekularnego do stosowania w dostarczaniu leków , separacji, wykrywaniu biologicznym i chemicznym i nie tylko. Wykorzystując selektywność kształtu wnęki, ułatwiono również zastosowanie w katalizie w niektórych reakcjach.

Historia

Pierwszy przykład imprintingu molekularnego przypisuje się MV Polyakovowi w 1931 r., kiedy to badał polimeryzację krzemianu sodu z węglanem amonu . Gdy procesowi polimeryzacji towarzyszył dodatek, taki jak benzen , otrzymana krzemionka wykazywała większą absorpcję tego dodatku. Do 1949 roku Dickey zastosował koncepcję imprintingu molekularnego teorii instruktażowej; jego badania wytrąciły żele krzemionkowe w obecności barwników organicznych i wykazały, że odciskana krzemionka ma wysoką selektywność w stosunku do barwnika matrycowego.

Idąc za obserwacjami Dickeya, Patrikeev opublikował artykuł na temat jego „odciśniętej” krzemionki metodą inkubacji bakterii z żelem krzemionkowym. Proces suszenia i ogrzewania krzemionki sprzyjał wzrostowi bakterii lepiej niż inne wzorcowe krzemionki i wykazywał enancjoselektywność . Później wykorzystał tę metodę z nadrukowaną krzemionką w dalszych zastosowaniach, takich jak chromatografia cienkowarstwowa (TLC) i wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC). W 1972 Wulff i Klotz wprowadzili imprinting molekularny do polimerów organicznych. Odkryli, że rozpoznanie molekularne było możliwe dzięki kowalencyjnemu wprowadzeniu grup funkcyjnych do odciśniętej wnęki polimerów. Grupa Mosbacha udowodniła następnie, że możliwe jest wprowadzenie grup funkcyjnych do odciskanych wnęk poprzez interakcje niekowalencyjne, co prowadzi do imprintingu niekowalencyjnego. Od tego czasu wiele podejść dotyczących imprintingu molekularnego zostało rozszerzonych do różnych celów.

Rodzaj imprintingu molekularnego

kowalencyjne

W imprintingu kowalencyjnym cząsteczka matrycy jest kowalencyjnie związana z monomerami funkcyjnymi , które są następnie razem polimeryzowane. Po polimeryzacji matryca polimerowa jest odcinana od cząsteczki matrycy, pozostawiając wnękę w kształcie matrycy. Po ponownym związaniu z pierwotną cząsteczką, miejsca wiązania będą oddziaływać z cząsteczką docelową, przywracając wiązania kowalencyjne . Podczas tego przywracania uzyskuje się z powrotem kinetykę związaną z wiązaniem i zrywaniem wiązań. Wdrukowana cząsteczka jest następnie uwalniana z matrycy, w której następnie ponownie wiąże się z cząsteczką docelową, tworząc te same wiązania kowalencyjne, które powstały przed polimeryzacją. Korzyści wynikające z zastosowania tego podejścia obejmują grupę funkcyjną związaną wyłącznie z miejscami wiązania, unikając jakiegokolwiek wiązania nieswoistego. Wdrukowana cząsteczka wykazuje również jednorodny rozkład miejsc wiązania, zwiększając stabilność kompleksu matryca-polimer. Istnieje jednak kilka związków, które można wykorzystać do imprintingu z cząsteczkami matrycowymi poprzez wiązanie kowalencyjne, takie jak alkohole , aldehydy i ketony , z których wszystkie mają wysoką kinetykę tworzenia. W niektórych przypadkach ponowne wiązanie matrycy polimerowej z matrycą może być bardzo powolne, przez co ten czas podejścia jest nieefektywny w zastosowaniach wymagających szybkiej kinetyki, takich jak chromatografia .

niekowalencyjne

W przypadku imprintingu niekowalencyjnego siły oddziaływania między cząsteczką matrycy a funkcjonalnym monomerem są takie same, jak siły oddziaływania między matrycą polimerową a analitem . Siły zaangażowane w tę procedurę mogą obejmować wiązania wodorowe , interakcje dipolowo-dipolowe i indukowane siły dipolowe . Ta metoda jest najczęściej stosowanym podejściem do tworzenia MIP ze względu na łatwość przygotowania i szeroką gamę funkcjonalnych monomerów, które można związać z cząsteczką matrycy. Wśród grup funkcyjnych kwas metakrylowy jest najczęściej stosowanym związkiem ze względu na jego zdolność do interakcji z innymi grupami funkcyjnymi. Innym sposobem zamiany niekowalencyjnej interakcji między cząsteczką matrycy a polimerem jest technika „ugryzienia i zamiany” opracowana przez profesora Siergieja A. Piletskiego i Sreenatha Subrahmanyama. W tym procesie grupy funkcyjne najpierw wiążą się niekowalencyjnie z miejscem wiązania, ale podczas etapu ponownego wiązania matryca polimerowa tworzy nieodwracalne wiązania kowalencyjne z cząsteczką docelową.

jonowy/metaliczny

jony metali , służy jako podejście do wzmocnienia interakcji cząsteczki matrycy i funkcjonalnego monomeru w wodzie. Zwykle jony metali służą jako mediator podczas procesu imprintingu. Sieciujące polimery, które są w obecności jonów metali, utworzą matrycę zdolną do wiązania metalu. Jony metali mogą również pośredniczyć w imprintingu molekularnym, wiążąc się z szeregiem funkcjonalnych monomerów, gdzie ligandy przekazują elektrony do najbardziej zewnętrznej orbity jonu metalu. Oprócz pośredniczącego wdrukowywania, jony metali mogą być wykorzystywane w bezpośrednim wdrukowywaniu. Na przykład jon metalu może służyć jako szablon do procesu imprintingu.

Aplikacje

separacja oparta na powinowactwie do analizy biomedycznej, środowiskowej i żywności. Wstępne zatężanie i obróbkę próbki można przeprowadzić poprzez usunięcie docelowych śladowych ilości analitów z próbek za pomocą MIP. Wykonalność MIPs w ekstrakcji do fazy stałej , mikroekstrakcji do fazy stałej i ekstrakcji sorpcyjnej na mieszadle badano w kilku publikacjach. Ponadto techniki chromatograficzne, takie jak HPLC i TLC, mogą wykorzystywać MIP jako materiały wypełniające i fazy stacjonarne do rozdzielania analitów matrycowych. Zaobserwowano, że kinetyka materiałów z nadrukiem niekowalencyjnym jest szybsza niż materiałów przygotowanych metodą kowalencyjną, dlatego niekowalencyjne MIP są częściej stosowane w chromatografii.

Innym zastosowaniem jest wykorzystanie materiałów z nadrukiem molekularnym jako czujników chemicznych i biologicznych . Zostały opracowane w celu zwalczania herbicydów, cukrów, leków, toksyn i oparów. Czujniki oparte na MIP mają nie tylko wysoką selektywność i czułość, ale mogą również generować sygnały wyjściowe (elektrochemiczne, optyczne lub piezoelektryczne) do wykrywania. Pozwala to na ich wykorzystanie w wykrywaniu fluorescencji, wykrywaniu elektrochemicznym, wykrywaniu chemiluminescencyjnym i wykrywaniu UV-Vis. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się również aplikacje kryminalistyczne, które zajmują się wykrywaniem nielegalnych narkotyków, zakazanych narkotyków sportowych, toksyn i bojowych środków chemicznych.

Imprinting molekularny stale pojawia się w takich dziedzinach, jak dostarczanie leków i biotechnologia . Selektywna interakcja między matrycą a matrycą polimerową może być wykorzystana do przygotowania sztucznych przeciwciał . Na rynku biofarmaceutycznym separację aminokwasów, związków chiralnych, hemoglobiny i hormonów można osiągnąć za pomocą adsorbentów MIP . Zbadano metody wykorzystania technik imprintingu molekularnego do naśladowania cząsteczek liniowych i polianionowych, takich jak DNA, białka i węglowodany. Obszarem wyzwań jest białko nadruk. Duże, rozpuszczalne w wodzie makrocząsteczki biologiczne stwarzają trudności w imprintingu molekularnym, ponieważ ich integralności konformacyjnej nie można zapewnić w środowiskach syntetycznych. Obecne metody poruszania się po tym obejmują unieruchamianie cząsteczek szablonu na powierzchni stałych podłoży, minimalizując w ten sposób agregację i kontrolowanie cząsteczek szablonu, aby zlokalizować je na powierzchni nadrukowanych materiałów. Jednak krytyczny przegląd imprintingu molekularnego białek przeprowadzony przez naukowców z Uniwersytetu w Utrechcie wykazał, że potrzebne są dalsze testy.

Zastosowania farmaceutyczne obejmują systemy selektywnego dostarczania leków i kontroli uwalniania leków, które wykorzystują stabilne konformacje MIP, szybkie równowagowe uwalnianie i odporność na stres enzymatyczny i chemiczny. Zbadano również inteligentne uwalnianie leku, uwalnianie środka terapeutycznego w wyniku określonych bodźców. Wykazano, że odciskane molekularnie materiały insuliny i innych leków w nanoskali wykazują wysoką zdolność adsorpcji odpowiednich celów, co wskazuje na ogromny potencjał dla nowo odkrytych systemów dostarczania leków. W porównaniu z naturalnymi receptorami , MIP mają również wyższą stabilność chemiczną i fizyczną, łatwiejszą dostępność i niższy koszt. MIPs mogą być szczególnie stosowane do stabilizacji białek, szczególnie do selektywnej ochrony białek przed denaturacją pod wpływem ciepła.

Zobacz też

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molecular_imprinting&oldid=1142410414 ”