Ze względu na unikalną strukturę i nietypowe właściwości dendrymerów oraz ich zdolność do reagowania zarówno na końcach cząsteczek, jak i w środku, zastosowanie tych związków w nauce, medycynie i technologii jest bardzo szerokie i nadal rośnie [277-280]. Godnymi uwagi obszarami wykorzystania tych konstrukcji molekularnych są rozpoznanie molekularne i samoorganizacja [281].
Dendrymery posiadają unikalne właściwości, takie jak rozpuszczalność w wodzie, ściśle określona struktura cząsteczki, kulisty kształt (dla większych cząsteczek dendrymerów) i moŜliwości modyfikacji grup końcowych (m.in. amidy, aminy, karbosilany, siloksany, estry, etery, fenyloacetyleny, róŜnorodne związki
organometaliczne, aminokwasy i kwasy nukleinowe, porfiryny, ftalocyjaniany, sacharydy, mezogeny, anionowe i kationowe grupy oraz róŜnorodne chromofory [282]).
W porównaniu z tradycyjnymi, chaotycznie rozgałęzionymi polimerami, dendrymery wykazują wiele korzyści [283]: posiadają ściśle określone odgałęzienia wychodzące z centralnego rdzenia, duŜą liczbę końcowych grup funkcyjnych z moŜliwością ich kontrolowania, ściśle określoną, a nie średnią masę cząsteczkową [284], niską polidyspersyjność [285].
Dendrymery wykazują własności biologiczne i przeciwwirusowe [286]. Mogą być stosowane jako produkty diagnostyczne, sztuczne enzymy i szczepionki [284], jako nośniki leków, układy dostarczające materiał genetyczny do komórek [287], jako nośniki molekuł w środkach kontrastujących NMR i rentgenografii oraz systemy rozprowadzania materiałów bioaktywnych ( Newkome 1991) [288].
Dendrymery typu PAMAM pełnią znaczącą rolę w biologii i medycynie. Jest to związane z ich bardzo niską toksycznością i brakiem immunogeniczności, zwłaszcza gdy ich powierzchnia zawiera anionowe lub neutralne grupy, takie jak karboksylowe czy hydroksylowe. Dlatego teŜ są one coraz częściej stosowane jako substancje zastępujące globularne białka w immunodiagnostyce oraz w zastosowaniach ekspresji genu in vitro [20PAMAM]. Blokują równieŜ wirus opryszczki zwykłej podłączony do komórek [289].
W cząsteczkach dendrymerów DAB występują tylko sprotonowane atomy azotu, co czyni je odpowiednimi niewirusowymi nośnikami DNA do komórek [290].
Ze względu na swoje szczególne właściwości, dendrymery badane są pod kątem ich przydatności jako nośników leków przeciwnowotworowych oraz materiałów genetycznych [291-292].
Dendrymery DAB piątej generacji stanowią alternatywę dla środków dotychczas stosowanych w fotodynamicznej terapii nowotworów [293].
Zdolność dendrymerów PAMAM do rozprowadzania leków przeciwnowotworowych i materiału genetycznego do komórek została przedstawiona przez Kukowską-Latałło (1996) i Duncana oraz Malika (1996). Mogą być one równieŜ zastosowane do polepszenia rozpuszczalności leków, które wykazują słabą rozpuszczalność w wodzie [294].
Rysunek 2.40. przedstawia porównanie skuteczności dotarcia (A) nanocząstek (leku) oraz (B) nanocząstek ukierunkowanych (połączenia polimerów naturalnych lub syntetycznych z lekiem) do komórek nowotworowych.
warstwa środbłonkowa
komórka nowotworowa nanocząstka
ukierunkowan a nanocząstka pasywne
ukierunkowanie
aktywne ukierunkowanie
Rys. 2.40. Schematyczne przedstawienie ukierunkowania nanocząsteczek do komórek nowotworowych
(A) Nanocząstki są skupione w śródmiąŜszu nowotworu przez bierne wynaczynienie wynikające z nieszczelnego mikrokrąŜenia pokazanego jako szczelina w śródbłonkowej warstwie. W tym przypadku skuteczność docierania nanocząstek do komórek nowotworowych jest uwarunkowana miejscowym uwalnianiem leku w pobliŜu komórek nowotworowych.
(B) Ukierunkowane nanocząstki skupiają się równieŜ w śródmiąŜszu
nowotworu, ale są tu aktywnie przechwytywane przez komórki nowotworu po utworzeniu połączeń ich ukierunkowanych antygenów z powierzchnią
komórek nowotworowych. W tym przypadku leki uwalniane są wewnątrz komórek nowotworowych [295].
Dendrymery z powierzchnią modyfikowaną resztami węglowodanowymi, z wielokrotnymi układami peptydowych epitopów (fragmentów antygenowych rozpoznawanych przez ciało) są uŜywane jako szczepionki, jako dendrytyczne wnęki (z ang. dendritic box) do zamykania cząsteczek gości oraz w formie sprzęŜonej dendrymer-białko lub dendrymer-przeciwciało [296-297].
Dendrymery tworzone na bazie peptydów są badane jako nośniki genów [298].
Modyfikowane tłuszczami są zaangaŜowane w podwyŜszenie immunogenności syntetycznych peptydów [296].
Struktury dendrytyczne są uŜyteczne w projektowaniu elektronicznych i bioelektronicznych urządzeń np. zbiorników elektronowych [269], molekularnych łoŜysk kulkowych czy regulatorów przepływu we fluidach [297].
Dendrytyczne polimery mogą być zastosowane jako składniki w molekularnej nanotechnologii [299-300].
Dendrymery są obiecującymi układami makrocząsteczkowymi w magazynowaniu energii świetlnej i procesach fotochemicznych. Wykazują silną absorpcję światła, spowodowaną duŜą ilością chromoforów zawartych w ich cząsteczkach. Absorpcja wzrasta wraz z podwyŜszaniem generacji, a co za tym idzie, wprowadzaniem coraz większej ilości grup chromoforowych. Absorbowana energia świetlna moŜe być wydajnie przenoszona do rdzenia dendrymeru, aby następnie zostać wykorzystaną w reakcjach fotochemicznych.
Dlatego teŜ dendrymery są atrakcyjnymi kandydatami do wcielania się w rolę sztucznych komórek fotosyntetycznych [283]. Część z nich ma właściwości emitowania światła, co moŜe prowadzić do nowych i nieoczekiwanych zastosowań.
Dla dendrymerów DAB i PAMAM o wyŜszej generacji duŜa ilość grup końcowych tworzy w środku dendrymeru wnękę, która jest zamknięta przez gęstą powierzchnię dendrymeru. Takie dendrymery mogą być zastosowane jako magazyny pamięci tymczasowej dla cząsteczek gości [265]:
Rys. 2.41. Dendrymer DAB piątej generacji (z ang. dendritic box) o potencjalnym zastosowaniu jako magazyn pamięci tymczasowej dla cząsteczek gości
Bardzo waŜną dziedziną, w której dendrymery i ich pochodne są szeroko stosowane, jest kataliza [301-302]. W porównaniu z polimerami organicznymi (np.
polistyren) lub nieorganicznymi (np. dwutlenek krzemu), oferują duŜo lepszą kontrolę ilości, kształtu i struktury miejsc katalitycznych oraz ich mikrośrodowiska. Łączą w sobie korzyści katalizatorów homo- i heterogenicznych. W katalizie homogenicznej moŜna je w prosty sposób zregenerować, poddając katalizatory nanofiltracji [303].
Biorą udział m.in. w reakcjach hydroformylowania prowadzących do otrzymania aldehydów i alkoholi (kataliza homogeniczna) [302].
Dendrymery zawierające metale przejściowe w rdzeniu, rozgałęzieniach lub na powierzchni mogą uczestniczyć w katalizie jako wzorce tworzenia i stabilizowania monodyspersyjnych metalicznych nanocząstek [304], a takŜe pełnią rolę katalizatorów w róŜnorodnych reakcjach, takich jak uwodornienie olefin, hydroformylowanie, reakcje Heck’a, reakcje Dielsa-Aldera, kondensacja aldolowa, addycja Michaela, metateza (reakcja podwójnej wymiany) olefin, asymetryczna kataliza, epoksydacja, reakcje utleniania, reakcje redoks, kataliza Fischera-Tropscha, reakcje Friedela-Craftsa i Mukayamy, kataliza międzyfazowa (phase-transfer) i micellarna oraz wiele innych. Metalodendrymer van Koten’a katalizuje reakcję addycji polihalogenoalkanów do wiązania C=C. Dendrytyczny katalizator Chow’a Cu(II) – bis(oksazolina) katalizuje reakcję Dielsa-Aldera pomiędzy cyklopentadienem i imidem krotonylowym. Dendrymery DAB w połączeniu z metalami tworzą katalizatory dla wielu procesów chemicznych. Doskonale katalizują reakcje dekarboksylacji, uwodornienia olefin, utleniania tiolu do disulfidów, reakcje Mukayamy i Friedela-Craftsa i wiele innych. Metalodendrymer DAB-dendr-[N(CH2PPh2)2PdCl2]16 jest doskonałym katalizatorem uwodornienia cyklopentadienu do cyklopentenu.
Zmodyfikowany metalodendrymer DAB-dendr(NH2)32 ze skandem znalazł zastosowanie jako katalizator w reakcji tworzenia β-aminoketonu (reakcja Mukayamy) i w acetylowaniu Friedela-Craftsa [305].
Modyfikowany DAB dendrymer z (R)-fenyloksiranem tworzy katalizator stosowany w asymetrycznej addycji dietylocynku do benzaldehydu.
Rys. 2.42. Dendrymer DAB modyfikowany (R)-fenyloksiranem [305]
Podobnie jak w przypadku metalodendrymerów na bazie DAB, kompleksy dendrymerów PAMAM z metalami, są wyśmienitymi katalizatorami dla wielu reakcji chemicznych. Metalodendrymery złoŜone z dendrymeru PAMAM róŜnych generacji w połączeniu z róŜnymi cząsteczkami i metalami wykazują zdolność katalizowania wielu róŜnorodnych reakcji, np. uwodornienia alkoholu allilowego do propan-1-olu, uwodornienia alkenów i ich izomeryzacji, reakcji redoks, reakcji Hecka, hydroformylowania, aminolizy, czy asymetrycznej redukcji ketonów.
Dendrymer typu PAMAM z palladem (rysunek 2.43.) utworzony z rdzenia dwutlenku krzemowego jest uŜywany jako katalizator w reakcjach Heck’a
Rys. 2.43. Metalodendrymer uŜywany w reakcjach Heck’a [305]
Kompleks kobaltowy salenu (zasady Schiffa pochodnej aldehydu salicylowego) z dendrymerem PAMAM znalazł zastosowanie jako katalizator w reakcji rozkładu hydrolitycznego terminalnych grup epoksydowych:
:
N N
O O
Co
tBu tBu
tBu I
C
CH2 O
HN PAMAM dendr
Rys. 2.44. Metalodendrymer typu PAMAM uŜywany jako katalizator w asymetrycznej katalizie [305]