هیدروژل زیست سازگار بر پایه نانوسلولز: تهیه و بررسی برخی از ویژگی‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

4 استادیار گروه داروشناسی، دانشکده داروسازی، دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

5 استاد گروه علوم شیمی و فناوری مواد، کامپوزیت و بایومواد، موسسه پلیمر، انجمن تحقیقات ملی ایتالیا، ناپل

چکیده

در این مطالعه تمرکز بر روی تهیه هیدروژل دوست‌دار محیط زیست بر پایه نانوسلولز به فرم پد می‌باشد. هیدروژل‌ها شبکه‏های سه‏ بعدی آب-دوست و دارای اتصالات عرضی هستند که در تماس با آب متورم شده اما حل نمی‏شوند. در این تحقیق برای تهیه هیدروژل به شکل فیلم، از نانوالیاف سلولزی و هیدروکسی اتیل سلولز با نسبت‌های وزنی (1 به 1، 2 به 1 و 3 به 1) استفاده شد. همچنین برای ایجاد اتصالات عرضی، سیتریک اسید که نسبت به سایر اتصال دهنده‌ها برتری قابل ملاحظه‌ای به‌لحاظ دو ویژگی‌ مهم سمیت و قیمت دارد در مقادیر مختلف 10% و 20% وزنی نسبت به ماتریس، مورد استفاده قرار گرفت. به منظور یافتن شرایط بهینه تهیه هیدروژل، آزمون‌های FTIR، FESEM، اندازه‌گیری قابلیت واکشیدگی وابسته به زمان و بررسی خواص حرارتی و رئولوژیکی انجام گرفت. نمونه‌های با نسبت کمتر نانوسلولز به هیدروکسی اتیل سلولز به دلیل از دست دادن یکپارچگی ظاهری خود در آزمون اندازه گیری قدرت واکشیدگی، نامناسب شناخته شدند. با توجه به نتایج FTIR، اتصالات عرضی تنها در نمونه‌های با بیشترین نسبت نانوسلولز به هیدروکسی اتیل سلولز در مقادیر مختلف سیتریک اسید، به خوبی انجام گرفت. بنابراین ویژگی هیدروژل‌ها عمدتا متاثر از نسبت نانوسلولز به هیدروکسی اتیل سلولز بوده و مقدار سیتریک اسید تاثیر کمتری بر روی این ویژگیها داشت. این دو نمونه نهایی موفق، در سایر خصوصیات مورد ارزیابی نیز خواص قابل قبولی از خود نشان داده و منجر به انتخاب نسبت بهینه واکنشگرها در تهیه هیدروژل جهت استفاده در صنایع مختلف از جمله صنعت دارورسانی گردیدند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Babu, R., O'Connor, K. and Seeram, R., 2013. Current progress on bio-based polymers and their future trends. Progress in Biomaterials, 2:8. https://doi.org/10.1186/2194-0517-2-8

[2] Reis, R. L., Neves, N.M., Mano, J.F., Gomes, M.E., Marques, A.P. and Azevedo, H.S., 2008. Natural-Based Polymers for Biomedical Applications. Woodhead Publishing, ISBN: 978-1-84569-264-3.

[3] Sell, S.A., Wolfe, P.S., Garg, K., McCool, J.M., Rodriguez, I.A. and Bowlin, G.L., 2010. The use of natural polymers in tissue engineering: a focus on electrospun extracellular matrix analogues. Polymers, 2: 522-553, doi:10.3390.

[4] Habibi, Y., Lucia, L.A. and Rojas, O.J., 2010. Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemical reviews, 110(6):3479–3500.

[5] De France, K.J., Hoare, T.D. and Cranston, E., 2017. Review of Hydrogels and Aerogels Containing Nanocellulose. Chemical reviews, 29:4609−4631.

[6] Sacui, I.A., Nieuwendaal, R.C., Burnett, D.J., Stranick, S.J., Jorfi, M., Weder, C., Foster, E.J., Olsson, R.T. and Gilman, J.W., 2014. Comparison of the properties of cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils isolated from bacteria, Tunicate, and wood processed using acid,  enzymatic, mechanical, and oxidative methods. ACS Applied Materials and Interfaces, 6(9):6127-6138.

[7] Tomsic, B., Simoncic, B., Orel, B., Vilcnik, A. and Spreizer, H., 2007. Biodegradability of cellulose fabric modified by imidazolidinone. Carbohydrate Polymers, 69(3):478-488.

[8] Miyamoto, T., Takahashi, S., Ito, H., Inagaki, H. and Nioshiki, Y., 1989. Tissue biocompatibility of cellulose and its derivatives. Journal of Biomedical Materials Research, 23(1):125-133.

[9] Chinga-Carrasco, G. and Syverud, K., 2014. Pretreatment-dependent surface chemistry of wood nanocellulose for pH-sensitive hydrogels. Journal of Biomaterials Applications, 29(3):423–432.

[10] Alexandrescu, L., Syverud, K. and Gatti, A., 2013. Cytotoxicity tests of cellulose nanofibril-based structures. Cellulose, 20:1765–1775.

[11] Jong, S., Hirani, A.A. and Colacino, K.R., 2012. Cytotoxicity and cellular uptake of cellulose nanocrystals. Nano Life, 02: 1241006.

[12] Vartiainen, J., Pohler, T. and Sirola, K., 2011. Health and environment safety aspects of friction grinding and spray drying of microfibrillated cellulose. Cellulose, 18:775–786.

[13] Cowie, J., Bilek, E.M., Wegner, T.H. and Shatkin, J.A., 2014. Market Projections of Cellulose Nanomaterial-Enabled Products. Part 2: Volume Estimates. TAPPI Journal 13(6):57−69.

[14] Lin, N. and Dufresne, A., 2014. Nanocellulose in Biomedicine: Current  Status and Future Prospect. European Polymer Journal, 59:302−325.

[15] Shatkin, J.A., Wegner, T.H., Bilek, E.M. and Cowie, J., 2014. Market Projections of Cellulose Nanomaterial-Enabled Products − Part 1 Applications. TAPPI Journal, 13(5):9−16.

[16] Mariano, M., El Kissi, N. and Dufresne, A., 2014. Cellulose Nanocrystals and Related Nanocomposites: Review of Some Properties and Challenges. Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics, 52(12):791−806.

[17] Habibi, Y., 2014. Key Advances in the Chemical Modification of Nanocelluloses. Chemical Society Reviews, 43(5):1519−1542.

[18] Roman, M., 2015. Toxicity of Cellulose Nanocrystals: A Review. Industrial Biotechnology, 11(1):25−33.

[19] Moon, R.J., Schueneman, G.T. and Simonsen, J., 2016. Overview of Cellulose Nanomaterials, Their Capabilities and Applications. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 68(9):2383−2394.

[20] Sannino, A., Demitri, Ch. and Madaghiele, M., 2009. Biodegradable cellulose-based hydrogels: design and applications. Materials, 2:353-373; doi:10.3390.

[21] Tanaka, T., 1981. Gels. Scientific American, 244(1):124-136.

[22] Chen, Y., Xu, W., Liu, W. and Zeng, G., 2015. Responsiveness, Swelling, and Mechanical Properties of PNIPA Nanocomposite Hydrogels Reinforced by Nanocellulose. Journal of Materials Research, 30(11):1797−1807.

[23] De France, K.J., Chan, K.J.W., Cranston, E.D. and Hoare, T., 2016. Enhanced Mechanical Properties in Cellulose Nanocrystal-Poly(oligo Ethylene Glycol Methacrylate) Injectable Nanocomposite Hydrogels through Control of Physical and Chemical Cross-Linking. Biomacromolecules, 17(2):649−660.

[24] Domingues, R.M.A., Silva, M., Gershovich, P., Betta, S., Babo, P., Caridade, S. G., Mano, J.F., Motta, A., Reis, R.L. and Gomes, M.E., 2015. Development of Injectable Hyaluronic Acid/Cellulose Nanocrystals Bionanocomposite Hydrogels for Tissue Engineering Applications. Bioconjugate Chemistry, 26(8):1571−1581.

[25] García-Astrain, C., González, K., Gurrea, T., Guaresti, O., Algar, I., Eceiza, A. and Gabilondo, N., 2016. Maleimide-Grafted Cellulose Nanocrystals As Cross-Linkers for Bionanocomposite Hydrogels. Carbohydrate Polymers, 149:94−101.

[26] Larsson, E., Boujemaoui, A., Malmström, E. and Carlmark, A., 2015. Thermoresponsive Cryogels Reinforced with Cellulose Nanocrystals. RSC Advances, 5(95):77643−77650.

[27] Ooi, S.Y., Ahmad, I. and Amin, M.C., 2016. Cellulose Nanocrystals Extracted from Rice Husks as a Reinforcing Material in Gelatin Hydrogels for Use in Controlled Drug Delivery Systems. Industrial Crops and Products, 93:227−234.

[28] Zhou, Y., Fu, Sh., Zhang, L. and Zhan, H., 2013. Superabsorbent nanocomposite hydrogels made of carboxylated cellulose nanofibrils and CMC-g-p(AA-co-AM). Carbohydrate Polymers, 97:429-435.

[29] Liu, J., Chinga-Carrasco, G., Cheng, F. and Xu, W., 2016. Hemicellulose-reinforced nanocellulose hydrogels for wound healing application. Cellulose, 23: 3129-3143.

[30] Sannino, A., Madaghiele, M., Conversano, F., Mele, G., Maffezzoli, A., Netti, P.A., Ambrosio, L. and Nicolais, L., 2004.  Cellulose derivative-hyaluronic acid-based microporous hydrogels cross-linked through divinyl sulfone (DVS) to modulate equilibrium sorption capacity and network stability. Biomacromolecules, 5(1):92-96.

[31] Soccol, C.R., Vandenberghe, L.P.S., Rodrigues, C. and Pandey, A., 2006. New Perspectives for Citric Acid Production and Application. Biotechnol, 44 (2) 141–149.

[32] Mohsen, M., Gomaa, E., Mazaid, N.A. and Mohammed, R., 2017. Synthesis and characterization of organic montmorillonite-polyvinyl alcohol-co-polyacrylic nanocomposite hydrogel for heavy metal uptake in water. AIMS Materials Science, 4(5): 1122-1139.

[33] Oliveira, R.L., Vieira, J.G., Barud, H.S., Assuncao, R.M.N., Filho, G.R., Ribeiro, S.J.L. and Messadeqq, Y., 2015. Synthesis and Characterization of Methylcellulose Produced from Bacterial Cellulose under Heterogeneous Condition. Journal of the Brazilian Chemical Society, 26(9):1861-1870.

[34] Tasumi, M., 2014. Introduction to Experimental Infrared Spectroscopy: Fundamentals and practical methods, 1st ed., John Wiley & Sons, 408 p.

[35] Higuchi, T., Ito, Y., Shimada, M. and Kawamura, I., 1967. Chemical properties of milled wood lignin of grasses. Phytochemistry, 6(11): 1551-1556.