مواد به دو دستۀ دارای دانسیته و متخلخل تقسیم میشوند. مواد متخلخل به صورت طبیعی و مصنوعی وجود دارند (نمودار ۱). مطالعۀ مواد متخلل نشان میدهد که این مواد نقش مهمی در تولیدات صنعتی، تحقیقات علمی و پیشرفتهای پزشکی به ویژه از طریق مکانیسم جذب در درمانهای اکستراکورپورال و تصفیۀ خون دارند. هر تخلخل معمولاً از یک اسکلت جامد و فضای خالی یا روزنه (pore) تشکیل شده است (تصویر ۱).
نمودار ۱: تقسیم بندی مواد
تصویر ۱٫ ساختار ذرات جاذب
مواد متخلخل با ظرفیت جذب بالا بیشتر از ۵۰ سال است که در درمانهای اکستراکورپورال برای مقاصد مختلفی استفاده میشوند. سیر تکاملی دانش و استفادۀ بالینی جاذب‌ها در جدول ۱ خلاصه شده است.
جدول ۱- پیشرفت جاذب در درمان اکستراکورپورال در طول زمان
در بالین تکنیکهای تصفیه خون برای برداشت توکسینها به صورت کلی از طریق فرایندهای بر پایۀ غشا و جذب انجام میشود. روشهایی که بر اساس جریانهای انتشار و همرفت کار میکنند، برای برداشت بعضی از مولکولهای هدف کافی نبود. لذا HP با هدف برداشت این دسته از مولکول ها به تکنیکهای تصفیه خون اضافه شد. در این روش، خون از میان یک واحد به نام کارتریج که محتوی مواد جاذب است عبور کرده و فرایند جذب به صورت باند شدن مولکولهای مواد داخل خود با ذرات جاذب موجب حذف آنها از خون میشود.
مواد جاذب یا به صورت طبیعی یا سنتتیک موجود هستند. در گذشته این مواد محدود به مواد طبیعی بودند که زیست سازگاری کمی داشتند و در تماس با خون عوارض جانبی مانند علایم آلرژیک یا آنافیلاکتیک، لکوپنی، ترومبوسیتوپنی، راش پوستی، تب و غیره ایجاد میکردند. امروزه این واکنش ها به دو دلیل زیر قابل پیشگیری شده است:
- در تعدادی از تکنیکها پلاسما قبل از عبور از مادۀ جاذب از سلولهای خونی جدا شده و سلولهای خونی مانند گلبولهای قرمز، سفید و پلاکتها با مادۀ جاذب تماس نداشته و واکنشهای عدم زیست سازگاری هرگز ایجاد نمیشود.
- مواد جاذب از طریق فرایند پوشش ذرات جاذب با لایۀ زیست سازگار به خوبی بهوسیلۀ سلولهای خونی قابل تحمل میشوند.
برای ارایۀ درمان بر پایۀ مواد جاذب، الزامات زیر باید مورد توجه قرار گیرند:
۱- مادۀ جاذب ایمن، موثر و سازگار با خون و مواد زیستی
۲- یک کارتریج با طراحی و ساختار مناسب
۳- شرایط عملیاتی برای استفادۀ بهینه از سطوح قابل دسترس مادۀ جاذب
مواد جاذب یا به صورت مادۀ خام در طبیعت موجودند و یا به صورت مصنوعی تولید میشوند. سوربنت طبیعی مانند zeolites (آلومینیوم سیلیکات) پلیمرهای معدنی با تخلخل قابل توجهی هستند که از کریستالهای خود بدست میآیند و برای کنترل ساختارهای شبکهای متخلل داخلی خود به صورت مصنوعی قابل تغییر هستند. سایر سوربنتهای رایج، کربنهای متخللی هستند که از پلیمرهای معدنی مشتق شده از سلولز، توسط اکسیداسیون دمایی تهیه شده اند.
پلیمرها نوع متفاوتی از جاذب‌ها هستند که به صورت مصنوعی ساخته میشوند و از ساختارهای متقابل (cross-linked) مونومرها که دارای کارایی بالایی هستند، تشکیل شده اند (تصویر ۲).
تصویر ۲- تقسیم‌بندی جاذب‌ها
یکی از مهمترین پلیمرها Divinylbenzened است و دارای ساختار متقابل قوی بوده و اغلب برای ساختن مولکولهای جاذب بکار میرود. پلیمرهای جاذب همچنین قابل کاربرد با ترکیبات شیمیایی برای هدف قرار دادن مولکولهای خاصی برای جذب هستند.
انواع اشکال مختلف جاذب:
- دانهای
- کرهای
- الیاف
- لولههای استوانهای
- ورقهای
- پودر
تصویر ۳- نمای شماتیک از ساختار (a) پلیمرهای اسفریکال متخلخل، (b) پلیمرهای توبولار متخلخل، و (c) پلیمرهای مرتب ماکروپوروس
این شکل یکی از روشهای سادۀ تولید اشکال مختلف پلیمرهای مختلف را با قالبگیری نشان میدهد.
قطر هر ذرۀ جاذب بین ۵۰ میکرو متر تا ۲/۱ سانتی متر است. نسبت سطح به حجم یا S/V در پارتیکل‌ها بسیار زیاد بوده (یک سطح موثر بین ۳۰۰ تا ۱۲۰۰ مترمربع بر گرم) و این یکی از مزیتهای کاربردی آنها قلمداد میشود.
یعنی یک گرم از مواد جاذب سطحی برابر با ۱۰۰۰ متر مربع دارد. اغلب اوقات به دلیل عوامل زیادی کل سطح مواد جاذب مورد استفاده قرار نمیگیرد.
تقسیم بندی بر اساس سایز روزنه‌ها یا poresشبکه متخلل داخلی:
- ماکرو پوروس یا macroporous : سایز روزنه‌ها بیشتر از ۵۰۰ آنگستروم یا نانومتر
- مزو پروس یا mesoporous: سایز روزنه‌ها بین ۲۰ تا ۵۰۰ آنگستروم
- میکرو پروس microporous: سایز روزنه‌ها کمتر از ۲۰ انگستروم
وجود درجه خاصی از تخلخل در پلیمرها ویژگی منحصر به فردی است که باعث ایجاد کاربردهای زیادی از طریق آنها میشود. بسته به اندازه و ماهیت شیمیایی منافذ، میتوانند برای جذب انتخابی و یا ذخیره مولکولهای خاص مورد استفاده قرار بگیرند.
تصویر ۴- نمای شماتیک اشکال مختلف روزنه‌ها
مشخصات مواد جاذب:
- گرایش و انتخاب بالا برای حذف مولکولها
- ظرفیت بالا برای برداشت سریع
- حداقل مقدار مادۀ مورد نیاز برای ساخت محصولات تجاری بهینه
- دارای خاصیت کینتیکی و انتقالی مطلوب برای جذب سریع مواد هدف، پایداری شیمیایی و حرارتی، حلالیت کم در مایع در حال تماس و همچنین مقاومت مکانیکی بالا برای جلوگیری از خرد شدن یا فرسایش
- جریان آزاد خون یا پلاسما درون کارتریج (fluid phase)
- کارتریج به راحتی پر و خالی شود
- مقاومت بالا در برابر فشار برای افزایش مدت ماندگاری کارتریج
- زیست سازگاری بالا و عدم تمایل به واکنشهای شیمیایی ناخواسته و عوارض جانبی
مراحل و مکانیسمهای متفاوت در فرایند جذب مواد متخلخل
inter-phase: a یا انتقال خارجی ذره بهوسیلۀ جریان همرفت از طریق حجمی از مایع به سطح خارجی جاذب
b :intra-phase یا انتقال بینابینی ذره از طریق همرفت از سطح خارجی جاذب به ساختار روزنهدار
C: انتشار سطحی در امتداد سطح داخلی روزنه‌ها و جذب مواد از سطح روزنه‌ها
مکانیسم جذب شامل نیروهای فیزیکی شیمیایی با ماهیت مختلف است.
انتقال بینابینی یک مرحلۀ مهم است چرا که موجب حذف مواد و مولکولهای در تماس با جاذب میشود. کارتریج محتوی ماده جاذب، باید توزیع یکنواخت جریان داخلی مایع (پلاسما یا خون کامل) را افزایش دهد. توزیع جریان یکنواخت عموماً با استفاده از گرانول یا دانههای کروی با اندازۀ مساوی بدست میآید. دانسیتۀ بستهها برای پیشگیری از preferential channeling یا کانالیزه شدن ترجیحی جریان که باعث از دست دادن عملکرد جذب میشود بین۶۰-۴۰ درصد بهینه در نظر گرفته میشود. هر نوعی از پدیده کانالیزه شدن ممکن است بر روی مقدار جذب ذرات در واحد جذب و همچنین بر روی فرایند اشباع جاذب تاثیر گذار باشد. تصویر ۵ مکانیسم جذب مواد را از طریق ذرات جاذب نشان میدهد.
