Pemilihan Polimer Yang Tepat Untuk Aplikasi Biomaterial

      Di mana awal mula ketika mencoba untuk memilih polimer yang tepat untuk digunakan dalam implant atau perangkat terapi dalam dunia dunia medis ? Secara jelas, untuk setiap aplikasi tertentu, salah satu kebutuhan untuk sekelompok polimer pada dasarnya adalah hal yang terpenting dan diperlukan hingga penggunaan akhir. Sebagai contoh:

1.    Sebuah lensa intraokuler (IOL) harus transparan dan mempunyai dimensi yang stabil. Absorbsi protein dan lipid merupakan hal-hal yang harus diperiksa, tetapi hanya setelah memilih kelompok bahan untuk IOL yang bersifat transparan dan mempunyai dimensi yang stabil.

2.    Bola untuk menyumbat di katup jantung (seperti katup Star-Edwards ) baik secara dimensi dan secara mekanis harus stabil selama gerakan siklik melawan logam dan kembali ke bagian dalam cage di mana harus dibentuk segel yang baik. Faktor utama yang terkait adalah bahwa bola harus menyerap sejumlah kecil air atau lipid, yang akan mengubah baik sidat dimensi dan sifat mekanik. Kompatibilitas darah adalah kekhawatiran sekunder untuk aplikasi ini, karena memungkinkan pasien menggunakan obat antikoagulan secara kronis.

3.    Sebuah membran oxygenator darah harus memiliki permeabilitas yang baik untuk oksigen dan CO₂ . Interaksi darah sekunder dalam hal ini, terutama karena darah pasien mungkin tidak menggumpal dengan adanya heparin selama peroses oksigenasi.

4.    Semen gigi harus memiliki sifat perekat yang baik, pada permukaan gigi dan untuk bahan pengisi pada gigi dan harus bersifat tahan air dalam sekali pengobatan. Jika semen tersebut mendapat tekanan dalam proses mengunyah, maka kedua kekuatan ikatan perekat dan kekuatan kohesif di bawah tegangan tekan siklik menjadi hal yang penting untuk keberhasilan semen pada gigi. Adsorbsi protein dan pertumbuhan bakteri tidak menjadi hal yang kritis.

5.    Sebuah perangkat penghantaran obat atau sistem yang harus melepaskan obat pada kecepatan yang diinginkan dan untuk keberhasilan klinis, komponen polimer dari pembawa harus mengembang atau terjadi pembesaran (atau tidak), berubah (atau tidak), larut (atau tidak), atau pengamjikan kembali (jika perlu) setelah proses pelepasan obat. Tuntutan pada sifat-sifat utama komponen polimer dalam sistem penghantaran obat untuk keberhasilannya.

Pemilihan polimer ditentukan oleh aplikasi dan membutuhkan pertimbangan mengenai sifat fisika dan sifat kimia polimer. Komposisi dasar polimer mempengaruhi respon seluler, polimer dapat dimodifikasi dengan protein spesifik dan/atau peptida untuk meningkatkan interaksi seluler yang diinginkan. Prinsip untuk berhasil dalam memilih polimer yang tepat adalah memiliki kriteria desain secara menyeluruh yang telah ditetapkan tentang tujuan akhir penggunaan dari polimer (Molly, 2010).

Hal yang dibayangkan adalah banyaknya aplikasi berbeda dan sangat beragam seperti biomaterial dalam terapi implant dan perangkatnya, dimana masing-masing bahan dalam setiap aplikasi harus memiliki satu atau dua sifat penting yang merupakan kunci untuk keberhasilan dalam penggunaan akhir tertentu. Oleh karena itu, ketika memilih bahan untuk implant atau perangkat terapeutik, hal yang penting yaitu membuat sebuah "prioritas" daftar properti yang diinginkan dan kemudian mengidentifikasi satu atau dua sifat yang paling utama. Bab ini akan membahas komposisi dan struktur properti  hubungan polimer sintetik yang sangat penting untuk aplikasi sebagai biomaterial dalam implant dan perangkat terapetik, serta menjelaskan banyak biomaterial polimer untuk memberikan contoh prinsip ini.

          Polimer yang digunakan untuk implan dan alat terapi ditunjukkan pada. Berat molekul pada polimer yang berbeda memiliki rentang yang sangat luas, misalnya, dari 3-5 kDa untuk poli (etilena oksida) yang juga dikenal sebagai poli (etilen glikol) dan digunakan dalam berbagai formulasi penghantaran obat, mungkin sebanyak satu juta kDa untuk berat molekul yang tinggi (tinggi) seperti polietilen (UHMWPE) yang digunakan pada dasar prostesis UHMWPE berbeda dari kerapatan PE dalam hal ini kurangnya percabangan, yang memungkinkan molekul untuk berikatan kuat sehingga membentuk kristal.

       Selain berat molekul, ada 3 parameter yang mengontrol dua transisi utama polimer, yaitu suhu transisi gelas (Tg) dan suhu titik lebur (Tm). Semua polimer memiliki Tg, tetapi tidak semua memiliki Tm karena hanya polimer yang bersifat semicrystalline dimana menunjukkan transisi yang melebur. Tg adalah transisi kinetik, dan selalu lebih rendah dari Tm, pada transisi termodinamika orde pertama. Tg telah diperkirakan terjadi pada awal rotasi di sekitar rantai atom utama yaitu pada sekitar 30 sampai 40 atom terpisah. Tg dengan Tm (jika ada) pada dasarnya menentukan sifat fisik dan mekanis dari polimer dalam keadaan padat dan bagian-bagiannya pada suhu tubuh akan mengarahkan pada penggunaan akhir polimer sebagai biomaterial. Sebagai contoh, kekerasan (bersifat keras, kuat), bahan karet diperlukan sebagai perangkat yang membantu memompa kandung kemih dalam ventrikel kiri, sedangkan bahan yang sangat kristalin yang kuat diperlukan sebagai serat, digunakan dalam benang tenunan atau sebagai jahitan. Pada keadaan biologis, Tg dapat memiliki pengaruh besar untuk polimer yang menyerap sejumlah besar air. Penyerapan lemak dari darah juga bisa mempengaruhi sifat fisik dan mekanis polimer nonpolar. Ekstraksi komponen yang larut dari polimer juga berpotensi penting, seperti dalam kasus ekstraksi plasticizer dari PVC ke dalam darah, misalnya ketika PVC digunakan sebagai wadah penyimpanan darah.

Tiga sifat molekul utama dari polimer yang mengontrol Tg (dan Tm) sifat fisik dan mekanik antara polimer dan suhu tubuh, adalah kekakuan rantai, polaritas rantai, dan struktur rantai. Kekakuan rantai diukur oleh besarnya energi rintangan untuk memutar ikatan di sekitar rantai utama. Polaritas rantai berkaitan dengan keberadaan ikatan polar (terutama ikatan atom H) di sepanjang gugus utama atau pada cabang. Struktur rantai berkaitan dengan ada atau tidak adanya gugus samping yang besar, karena kelompok sisi kecil mengarah ke bentuk "mulus" atau "efisien" untuk rantai utama yang memfasilitasi kemasan dari rantai di kristalit. Kebanyakan biomaterial polimer memiliki konfigurasi acak di sepanjang rantai utama dan non stereo-reguler. Pengecualian pada (a) polypropylene merupakan serat yang berguna hanya ketika memiliki konfigurasi ikatan isotaktik (di mana semua cabang gugus metil berorientasi dan memiliki konfigurasi yang sama di sepanjang rantai utama) yang membentuk konformasi rantai heliks, dan (b) L atau D, polimer asam L-laktat merupakan poliester biodegradable dengan konfigurasi ikatan stereo spesifik dari cabang gugus metil Idi sepanjang rantai utama.

Tiga parameter molekul dari kekakuan, polaritas dan bangun rantai bekerjasama untuk mengontrol Tg (dan Tm), karena Tm berkaitan dengan peralihan termodinamika, pada titik lebur berada pada keseimbangan antara keadaan kristal dan keadaan melebur tanpa bentuk, oleh karena itu energi bebas dari peleburan adalah ΔGm = 0. Hasil ini pada ketentuan dari suhu lebur sebagai berikut :

                                                Tm = ΔHm/ΔSm

            Entalpi peleburan, ΔHm, terutama berkaitan dengan kemampuan rantai untuk memadat di kristalit, dan entropi peleburan, ΔSm, berkaitan dengan pencapaian pencairan secara acak. Jika rantai sangat simetris dan kutub, mereka akan memadat baik di kristalit dan ΔH akan menjadi besar. Di sisi lain, jika rantai tidak sangat simetris atau polar, polimer tidak akan begitu baik memadat dalam kristal dan nilai ΔHm akan lebih rendah. Faktor utama pengontrolan Tm untuk banyak polimer adalah ΔSm, dimana terjadi pencapaian sebagai perubahan dari bentuk kristal menjadi fase lebur. Jika rantai kaku, ada hubungan pencapaian yang kecil pada konformasi bebas karena pencapaian ini sudah pada konformasi yang meluas dalam kristalit dan ΔSm akan menjadi kecil, membuat Tm yang tinggi; jika rantai sangat mudah disesuaikan, ΔSm seharusnya besar sebagai perubahan dari konformasi yang meluas dalam kristalit menjadi acak, gulungan yang mudah disesuaikan dalam peleburan, membuat Tm menjadi rendah.

         Interaksi kelompok polar pada rantai yang berbeda akan cenderung meningkatkan energi rotasi barrier, yang mengarah ke Tg lebih tinggi  dengan asumsi rantai simetris bagian belakang, polimer juga akan berbentuk kristal dengan ΔHm tinggi dan ΔSm rendah dari peleburan. Poliamida memiliki bentuk yang efisien dan kelompok ikatan H di sepanjang bagian belakang mereka, yang mengarah ke bahan semicrystalline dengan titik lebur yang tinggi  dan juga memiliki Tg relatif tinggi (misalnya, Tm= ~ 267 ° C dan Tg = 45 ° C untuk Nylon  6-6). Jika rantai efisien dan memiliki kelompok kaku di sepanjang bagian belakang, seperti yang terlihat dalam poli (etilena tereftalat) rantai  PET, maka polimer ini juga akan memiliki titik lebur yang tinggi (Tm = 270 ° C). PET juga memiliki Tg tinggi 69 °C. Hal ini sering terlihat bahwa faktor molekuler yang meningkatkan salah satu transisi juga akan meningkatkan lainnya. Dengan demikian, Tg vs Tm yang mencover data polimer selama bertahun-tahun meningkat dalam mode linear dengan mengembangkan beberapa ("fanning out") pada suhu yang lebih tinggi.

Kehadiran kelompok bulk baik polar atau non polar, akan meningkatkan kekakuan rantai, dan meningkatkan Tg. Hal ini terutama berlaku untuk kelompok besar polar. Kelompok bulk juga akan menghambat rantai di kristalit dan polimer seperti kaca dan amorf pada body temperatur. Contoh dari polimer tersebut adalah poli (metil metakrilat) (PMMA) yang digunakan dalam lensa kontak keras dan IOLs. Jika polimer tidak memiliki interaksi polar yang signifikan dan memiliki hambatan energi rendah untuk rotasi obligasi rantai utama, maka Tg akan berada di bawah ambien suhu dan polimer akan menunjukkan perilaku karet pada kondisi biomaterial yang digunakan. Untuk karet tersebut, fleksibilitas rantai utama adalah jauh lebih penting daripada arsitektur rantai, sehingga bahkan rantai ramping akan amorf, bahan karet pada suhu tubuh. Contoh ini adalah arsitektur rantai karet silikon poli (dimethylsiloxane), yang begitu ramping dan rantai mudah bisa pak bersama dalam kristal. Namun, rantai fleksibilitas yang sangat tinggi, memiliki ΔSm yang sangat besar, Tm PDMS adalah -43° C, dan PDMS adalah bentuk non-kristalin, karet amorf pada kondisi kamar.