Co ma wspólnego szpinak i polimer?

Inspirując się naturą, naukowcy z Australii wytworzyli szereg polimerów dzięki użyciu światła i chlorofilu. Mają one zastosowanie w biomedycynie.

Podczas fotosyntezy chlorofil jest aktywowany przez światło widzialne, a elektrony są przenoszone z poziomu podstawowego na wzbudzony. W roślinach to wzbudzony elektron bierze udział w reakcji z dwutlenkiem węgla i wodą, w wyniku fotoindukowanego przeniesienia elektronu. Jednak w systemie opracowanym przez Cyrille Boyer wraz z kolegami z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii^[1], wzbudzone elektrony są przekazywane do monomerów. Następnie generują rodniki, które przechodzą do dalszej reakcji i wytwarzają polimery w procesie znanym jako polimeryzacja rodnikowa.

Rys. 1 Ze 100 g liści szpinaku można uzyskać 24 mg chlorofilu.

Jednym z wyzwań w syntezie polimeru było osiągnięcie kontroli nad długością i strukturą wytworzonych polimerów. Zespół Boyer zajął się tym przy wykorzystaniu polimeryzacji występującej w organizmach żywych, nazwaną polimeryzacją z odwracalnym addycyjno-fragmentacyjnym przeniesieniem łańcucha: RAFT (ang. reversible addition fragmentation chain transfer). Zawiera ona czynnik, typowo są to związki tiokarbonylowe, jako pośredniczące pomiędzy gatunkami. Czynnik RAFT jest zdolny do przyjmowania i oddawania rodników oraz zapewniania jednakowego tempa rozwijania każdego łańcucha polimeru. Prowadzi to do wąskiego zakresu długości polimeru i jego masy cząsteczkowej (niski wskaźnik polidyspersyjności) oraz wysokiego stopnia kontroli reakcji. Różne struktury, w tym o kształcie gwiazdy, grzebieniowe i pierścieniowe mogą być syntetyzowane w taki sposób.

Boyer wyjaśnia, że polimery mają szereg zastosowań: „Jesteśmy teraz w stanie wytworzyć polimery, takie jak polimetakrylan metylu, które są powszechnie stosowane w protezach biodrowych i kolanowych”. Poli-N-izopropyloakryloamid jest stosowany jako mikrożel w inżynierii tkankowej i w czasie podawania leku, może być również wykonany w taki sposób.

Rys. 2 Struktura poli(metakrylanu metylu)

Stosowanie chlorofilu jako katalizatora ma liczne zalety. Na początku, może być wyekstrahowany ze szpinaku, który jest powszechnie dostępny w przeciwieństwie do zwykle stosowanych katalizatorów -irydu i rutenu, które są obecne jedynie w ilościach śladowych w skorupie ziemskiej. Reakcja zachodzi również w wyniku działania niskoenergetycznego światła czerwonego, co pozwala na większe wnikanie do różnych materiałów i zmniejsza ryzyko niepożądanych reakcji ubocznych. Wreszcie, tylko niewielka ilość katalizatora, czyli chlorofilu jest wymagana (zwykle w zakresie ppm).

Rys. 3 Chlorofil może absorbować kwanty światła czerwonego i niebieskiego

Ekspert zajmujący się polimerami, Brent Sumerlin z Uniwersytetu Floryda jest pod wrażeniem zaczerpniętej inspiracji z naturalnego procesu fotosyntezy. „Opierając się na chlorofilu, naukowcy opracowali metodę, która jest zarówno biomimetyczna i zrównoważona”.