سطح بوليمري

في سياق كيمياء البوليمرات ، يشير التطعيم إلى إضافة سلاسل بوليمرية إلى سطح ما. في آلية "التطعيم على السطح"، تُمتص سلسلة البوليمر على السطح من المحلول. أما في آلية "التطعيم من السطح" الأكثر شمولاً، فتبدأ سلسلة البوليمر بالنمو والانتشار على السطح. ولأن السلاسل المُبلمرة مسبقًا المستخدمة في طريقة "التطعيم على السطح" تتمتع بتكوين مُفضل ديناميكيًا حراريًا في المحلول (حجم هيدروديناميكي متوازن)، فإن كثافة امتصاصها محدودة ذاتيًا. وبالتالي، يُعد نصف قطر دوران البوليمر هو العامل المحدد لعدد سلاسل البوليمر التي يمكنها الوصول إلى السطح والالتصاق به . تتجاوز تقنية "التطعيم من السطح" هذه الظاهرة، مما يسمح بكثافات تطعيم أعلى.

تُعدّ عمليات التطعيم "على" و"من" و"عبر" طرقًا مختلفة لتغيير التفاعل الكيميائي للسطح الذي ترتبط به. يسمح التطعيم "على" لبوليمر مُشكّل مسبقًا، عادةً في شكل "فطري"، بالالتصاق بسطح قطرة أو حبة في محلول. نظرًا لكبر حجم البوليمر الملفوف وما يُسببه من إعاقة فراغية ، تكون كثافة التطعيم "على" أقل مقارنةً بالتطعيم "من". يُبلل سطح الحبة بالبوليمر، ويؤدي التفاعل في المحلول إلى زيادة مرونة البوليمر. يعني "التكوين الممتد" للبوليمر المُطعّم، أو المُبلمر، من سطح الحبة أن المونومر يجب أن يكون في المحلول، وبالتالي يكون محبًا للماء . ينتج عن ذلك بوليمر ذو تفاعلات مُلائمة مع المحلول، مما يسمح للبوليمر بالتشكل بشكل أكثر استقامة. لذلك، يتميز التطعيم "من" بكثافة تطعيم أعلى نظرًا لسهولة الوصول إلى نهايات السلسلة.

يُعدّ تخليق الببتيدات مثالاً على عملية التخليق "بالتطعيم من" (Glugening from). في هذه العملية، تُنمّى سلسلة من الأحماض الأمينية عبر سلسلة من تفاعلات التكثيف من سطح حبة بوليمرية. تتيح تقنية التطعيم هذه تحكماً دقيقاً في تركيب الببتيد، إذ يمكن غسل السلسلة المرتبطة دون انفصالها عن البوليمر.

تُعدّ الطلاءات البوليمرية مجالاً آخر لتقنيات التطعيم التطبيقية. في تركيبات الدهانات المائية، غالباً ما تُعدّل جزيئات اللاتكس سطحياً للتحكم في تشتت الجزيئات، وبالتالي خصائص الطلاء مثل اللزوجة ، وتكوين الطبقة، والاستقرار البيئي ( التعرض للأشعة فوق البنفسجية وتغيرات درجة الحرارة).

يمكن تصنيف معالجة البلازما ، ومعالجة الكورونا، ومعالجة اللهب ضمن آليات أكسدة السطح. تتضمن هذه الطرق جميعها كسر سلاسل البوليمر في المادة وإدخال مجموعات وظيفية من الكربونيل والهيدروكسيل . ^{[ 2 ]} يؤدي إدخال الأكسجين إلى السطح إلى زيادة طاقة السطح ، مما يسمح بتغطية الركيزة.

يمكن تصور تطعيم البوليمرات المشتركة على سطح ما على أنه تثبيت سلاسل بوليمرية على ركيزة بوليمرية مختلفة بنيويًا بهدف تغيير وظائف السطح مع الحفاظ على الخواص الميكانيكية للمادة الأساسية. وتتحدد طبيعة ودرجة تعديل وظائف السطح من خلال اختيار البوليمر المشترك ونوع التطعيم ومدى انتشاره.

في عمليات التفريغ الإكليلي والبلازما الصناعية، تُعدّ الطرق التحليلية السريعة والفعّالة من حيث التكلفة ضروريةً للتأكد من كفاية وظائف سطح الركيزة. ويُعتبر قياس طاقة السطح طريقةً غير مباشرة لتأكيد وجود المجموعات الوظيفية السطحية دون الحاجة إلى المجهر أو التحليل الطيفي، وهما أداتان غالباً ما تكونان باهظتي الثمن وتتطلبان جهداً كبيراً. ويمكن استخدام قياس زاوية التلامس (قياس الزوايا) لتحديد طاقة سطح السطح المعالج وغير المعالج. كما يمكن استخدام معادلة يونغ لحساب طاقة السطح بافتراض تبسيط الظروف التجريبية إلى حالة توازن ثلاثي الأطوار (أي وضع قطرة سائلة على سطح صلب مستوٍ في جو مُتحكّم به)، مما ينتج عنه:

${\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}_{SG}={\boldsymbol {\gamma }}_{SL}+{\boldsymbol {\gamma }}_{LG}~{\cos {{\boldsymbol {\theta }}_{c}}}}$

أين

${\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}_{ij}}$يشير إلى طاقة السطح للسطح البيني بين المادة الصلبة والسائلة، أو السائلة والغازية، أو الصلبة والغازية

${\displaystyle {{\boldsymbol {\theta }}_{c}}}$هي زاوية التلامس المقاسة

يمكن استخدام سلسلة من المحاليل ذات التوتر السطحي المعروف (مثل محاليل داين) لتقدير طاقة سطح الركيزة البوليمرية نوعيًا من خلال ملاحظة قابلية ترطيب كل منها. هذه الطرق قابلة للتطبيق على أكسدة الأسطح على المستوى العياني، كما هو الحال في العمليات الصناعية.

في حالة المعالجات المؤكسدة، ستشير الأطياف المأخوذة من الأسطح المعالجة إلى وجود وظائف في مناطق الكربونيل والهيدروكسيل وفقًا لجدول ارتباط مطيافية الأشعة تحت الحمراء .

تُعدّ مطيافية الفوتونات الإلكترونية بالأشعة السينية (XPS) ومطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDS/EDX) من تقنيات توصيف التركيب الكيميائي التي تستخدم إثارة الإلكترونات بالأشعة السينية إلى مستويات طاقة منفصلة لتحديد التركيب الكيميائي كميًا. توفر هذه التقنيات توصيفًا على أعماق سطحية تتراوح بين 1 و10 نانومترات، وهو ما يُقارب نطاق الأكسدة في معالجات البلازما والهالة. إضافةً إلى ذلك، تُتيح هذه العمليات ميزة توصيف التغيرات المجهرية في تركيب السطح.

في سياق معالجة أسطح البوليمر بالبلازما، من البديهي أن تُظهر الأسطح المؤكسدة محتوىً أعلى من الأكسجين. يسمح التحليل العنصري بالحصول على بيانات كمية تُستخدم في تحليل كفاءة العملية.

طُوِّرَ المجهر ذو القوة الذرية (AFM)، وهو نوع من أنواع مجاهر القوة الماسحة ، لرسم خرائط التغيرات الطبوغرافية ثلاثية الأبعاد على أسطح الذرات بدقة عالية (في حدود أجزاء من النانومتر). وقد طُوِّرَ هذا المجهر للتغلب على قيود توصيل المواد التي تعتري طرق المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر النفقي الماسح (STM). اخترعه بينينغ وكوات وجيربي عام 1985، ويستخدم المجهر ذو القوة الذرية انحراف شعاع الليزر لقياس التغيرات في أسطح الذرات. لا تعتمد هذه الطريقة على تغير توصيل الإلكترونات عبر المادة، كما هو الحال في المجهر النفقي الماسح (STM)، ولذلك فهي تتيح فحص جميع المواد تقريبًا، بما في ذلك البوليمرات.

يُعدّ تطبيق المجهر الذري الماسح (AFM) على الأسطح البوليمرية مفيدًا للغاية، نظرًا لأنّ افتقار البوليمرات عمومًا إلى التبلور يؤدي إلى اختلافات كبيرة في تضاريس السطح. وتزيد تقنيات معالجة الأسطح، مثل التطعيم والمعالجة بالبلازما، من خشونة السطح بشكل كبير (مقارنةً بسطح الركيزة غير المعالجة)، وبالتالي يمكن قياسها بدقة باستخدام المجهر الذري الماسح. ^{[ 8 ]}

غالباً ما يتم تعديل أسطح المواد الحيوية باستخدام آليات يتم تنشيطها بالضوء (مثل التطعيم الضوئي ) لإضفاء وظائف على السطح دون المساس بالخصائص الميكانيكية الكلية.

لقد وجدت تعديلات الأسطح للحفاظ على خمول البوليمرات بيولوجيًا استخدامات واسعة في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل دعامات القلب والأوعية الدموية والعديد من الأطراف الاصطناعية الهيكلية. ويمكن أن يؤدي تحسين خصائص أسطح البوليمرات إلى منع امتصاص البروتينات، الذي قد يؤدي بدوره إلى استهداف الخلايا للزرعة، وهو أحد الأسباب الرئيسية لفشل الأطراف الاصطناعية الطبية.

أدت متطلبات التوافق الحيوي الضيقة في الصناعة الطبية خلال السنوات العشر الماضية إلى دفع تقنيات تعديل الأسطح للوصول إلى مستوى غير مسبوق من الدقة.

في الطلاءات المائية، يُشكّل مُشتّت البوليمر المائي طبقةً على الركيزة بعد تبخّر المذيب. يُعدّ تعديل سطح جزيئات البوليمر عنصرًا أساسيًا في تركيبة الطلاء، إذ يسمح بالتحكّم في خصائص مثل التشتت، ودرجة حرارة تكوين الطبقة، وخواص انسياب الطلاء. غالبًا ما تتضمن مُساعدات التشتيت تنافرًا فراغيًا أو كهروستاتيكيًا لجزيئات البوليمر، مما يُوفّر استقرارًا غروانيًا. تمتصّ مُساعدات التشتيت (كما في عملية التطعيم) على جزيئات اللاتكس، مُكسبةً إياها وظائف مُختلفة. يُؤدّي ارتباط مُضافات أخرى، مثل المُكثّفات الموضّحة في الرسم التخطيطي على اليمين، مع مادة البوليمر الممتصة، إلى سلوك انسيابي مُعقّد وتحكّم ممتاز في خواص انسياب الطلاء. ^{[ 12 ]}