انجمن علوم و صنایع چوب و کاغذ ایران مجله صنایع چوب و کاغذ ایران 2008-9066 17 1 2026 04 21 Investigating the Impact of Lignin on the Physicochemical Properties and Biodegradability of a Composite Fabricated via 3D Printing from Polyvinyl Alcohol, Nanocellulose, and Lignin بررسی تاثیر لیگنین بر خواص فیزیکی شیمیایی و زیست تخریب‌پذیری کامپوزیت ساخته شده با روش چاپ سه بعدی از پلی وینیل الکل، نانوسلولز و لیگنین 139 151 735481 10.22034/ijwp.2026.2080598.1749 FA مهدی انصاری چهارسوقی دانشجوی دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران یحیی همزه استاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران 0000-0001-5237-9866 محمد رفیعی نیا استاد، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده فناوری های نوین علوم پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران سید علی پور پورسمر استادیار، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده فناوری های نوین علوم پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران علیرضا عشوری استاد، پژوهشکده فناوریهای شیمیایی، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران 0000-0003-0946-1965 Journal Article 2025 12 11 Problem definition and objectives: In the past two decades, integrating specialized or stem cells with biodegradable three-dimensional scaffolds and a variety of biochemical, physical, and mechanical cues has opened new avenues for reconstructing the structural and functional properties of impaired tissues. These components exhibit their highest efficacy when incorporated into a coordinated system that closely mimics the physiological microenvironment of native tissue. Among the available fabrication technologies, three-dimensional printing particularly direct ink writing (DIW) has gained significant attention due to its precise control over ink rheology, tunable internal architecture, adjustable porosity and pore orientation, and the ability to combine multiple biomaterials simultaneously. This technology enables the fabrication of scaffolds with complex geometries analogous to native tissues, providing a conducive platform for cell adhesion, proliferation, and differentiation. The selection of appropriate bio-ink constituents is therefore a critical aspect of scaffold development. Nanocellulose, a natural and renewable polymer, offers high mechanical strength, robust three-dimensional network formation, excellent biocompatibility, and tunable surface chemistry, making it an attractive candidate for bio-ink formulation. Complementarily, lignin, an abundant aromatic biopolymer, provides antioxidant activity, moderate hydrophobicity, and reinforcing capability, thereby influencing the rheological behavior, printability, and mechanical performance of printed scaffolds. Polyvinyl alcohol (PVA), with its ability to form stable hydrogels, favorable flexibility, and coherent network structure, further enhances the stability, uniformity, and integrity of the composite scaffold. Given the growing demand for biodegradable and renewable biomaterials in scaffold fabrication, the present study investigates the effect of varying lignin content within nanocellulose/PVA-based systems. The objective is to elucidate how lignin concentration influences structural stability, chemical behavior, water absorption capacity, wettability, and ultimately the biodegradability of the resulting scaffolds. This work aims to identify an optimized material composition capable of producing high-performance scaffolds suitable for both clinical and research-based tissue engineering applications.<br>Methodology: In this study, PVA/nanocellulose/lignin composite scaffolds containing 10%, 20%, and 30% lignin were fabricated via 3D bio-printing. Morphological features were assessed by scanning electron microscopy (SEM), chemical interactions analyzed through Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), water absorption and long-term hydrophilicity evaluated, and surface wettability measured via contact angle analysis. Biodegradability was monitored in phosphate-buffered saline at 37 °C over three months. <br><br>Results: SEM images revealed that low lignin content maintained a uniform and stable PVA/nanocellulose network, while 30% lignin induced phase separation and agglomeration, reducing structural coherence. FTIR spectra indicated improved interfacial interactions through hydrogen bonding and partial coating of nanocellulose by lignin. Water absorption decreased and contact angles increased with higher lignin content, reflecting reduced hydrophilicity and enhanced moisture resistance, largely due to lignin’s hydrophobicity and citric-acid-induced esterification. Biodegradation results demonstrated that lignin’s aromatic structure slowed scaffold degradation. Overall, moderate lignin incorporation enhanced matrix cohesion, controlled water affinity, and preserved structural stability, whereas excessive lignin compromised scaffold integrity. <br><br>Conclusion: These findings highlight that optimizing lignin concentration is critical to achieving desirable morphological, physicochemical, and biodegradation properties in PVA/nanocellulose scaffolds, providing a promising approach for tissue engineering applications. Based on the results, the formulation containing 20% lignin exhibited the best balance between structural stability, water absorption, and biodegradability, and could be proposed as a suitable candidate for the development of bio-scaffolds in tissue engineering. چکیده<br>بیان مسئله و اهداف: در دو دهه اخیر، استفاده از سلول‌های بنیادی در کنار داربست‌های سه‌بعدی زیست‌تخریب‌پذیر و مجموعه‌ای از محرک‌های بیوشیمیایی، فیزیکی و مکانیکی، مسیر جدیدی برای بازسازی ساختار و عملکرد بافت‌های آسیب‌دیده فراهم کرده است. این عناصر زمانی بیشترین کارایی را نشان می‌دهند که در یک ساختار هماهنگ ترکیب شوند و شرایطی مشابه محیط طبیعی رشد سلول ایجاد کنند. در میان تکنیک‌های گوناگون ساخت داربست، فناوری چاپ سه‌بعدی و به‌ویژه روش چاپ با جوهر مستقیم، به دلیل دقت بالا به دلیل امکان ترکیب همزمان چندین ماده زیستی، اهمیت قابل ‌توجهی پیدا کرده است. نانوسلولز به‌عنوان ماده‌ای طبیعی، پایدار و تجدیدپذیر، به دلیل ویژگی‌هایی همچون استحکام مکانیکی بالا، قابلیت تشکیل شبکه‌های سه‌بعدی پایدار، زیست‌سازگاری مناسب و امکان اصلاح‌پذیری شیمیایی، یکی از مطلوب‌ترین گزینه‌ها برای توسعه جوهرهای زیستی محسوب می‌شود. در کنار آن، لیگنین به‌عنوان یک پلیمر طبیعی آروماتیک با گستره وسیعی از ویژگی‌ها، از جمله خاصیت آنتی‌اکسیدانی، رفتار تا حدی آبگریز و نقش تقویتی ساختاری، قادر است بر ویژگی‌های رئولوژیکی، رفتار چاپ‌پذیری و عملکرد مکانیکی داربست‌های تولیدشده اثر معنی‌دار بگذارد. پلی‌وینیل الکل (PVA) نیز با توانایی تشکیل هیدروژل‌های پایدار، انعطاف‌پذیری مناسب و قابلیت ایجاد شبکه‌های منسجم، نقش تکمیلی مهمی در بهبود پایداری، یکنواختی و یکپارچگی ساختار داربست ایفا می‌کند. با توجه به ضرورت بهره‌گیری از مواد زیست‌تخریب‌پذیر و تجدیدشونده در ساخت داربست‌های مهندسی بافت، این پژوهش بر بررسی دقیق اثر مقادیر مختلف لیگنین در سیستم نانوسلولز/PVA تمرکز دارد و هدف آن بررسی تاثیر درصد لیگنین بر پایداری ساختاری، تغییر رفتار شیمیایی، خواص جذب آب، میزان ترشوندگی و در نهایت عملکرد زیست تخریب‌پذیری داربست‌ها می باشد تا ترکیب بهینه برای تولید داربست‌های کارآمد و قابل ‌استفاده در کاربردهای بالینی و تحقیقاتی شناسایی شود.<br>مواد و روش‌ها: در این مطالعه، داربست‌های سه‌بعدی PVA/نانوسلولز/لیگنین با درصدهای مختلف لیگنین (10، ۲۰ و 30 درصد) با استفاده از چاپگر زیستی سه‌بعدی تهیه شدند. مورفولوژی آن‌ها با SEM، ترکیب شیمیایی با FTIR، رفتار رطوبتی با آزمون جذب آب و مقاومت سطحی با اندازه‌گیری زاویه تماس بررسی شد و زیست‌تخریب‌پذیری نمونه‌ها نیز طی سه ماه در بافر فسفات در دمای ۳۷ درجه سلسیوس ارزیابی گردید. <br>نتایج: نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که درصد لیگنین نقش تعیین‌کننده‌ای در مورفولوژی، خواص رطوبتی، زیست‌تخریب‌پذیری و زاویه تماس داربست‌های PVA/نانوسلولز دارد. تصاویر SEM نشان دادند که در غلظت‌های کم لیگنین، شبکه PVA/نانوسلولز یکنواخت و پایدار باقی می‌ماند و فیبرها به خوبی با ماتریس ترکیب شده‌اند، اما با افزایش لیگنین به 30 درصد، تجمعات بزرگ و جدایش فازی ظاهر شد که پیوستگی ساختاری را کاهش داد. تحلیل FTIR نشان داد که لیگنین با ایجاد پیوندهای هیدروژنی جدید و پوشش بخشی از نانوسلولز، باعث افزایش سازگاری بین‌فازی و بهبود پایداری شبکه کامپوزیتی می‌شود. در آزمون جذب آب، افزایش درصد لیگنین منجر به کاهش ظرفیت جذب آب و کاهش نرخ اشباع شد، زیرا لیگنین آبگریز و اسید سیتریک با ایجاد استریفیکاسیون از نفوذ آب جلوگیری کردند. همچنین، زاویه تماس نمونه‌ها با افزایش لیگنین افزایش یافت، که نشان‌دهنده بهبود مقاومت سطحی و کاهش آب‌دوستی کامپوزیت است. نتایج زیست‌تخریب‌پذیری نیز تأکید می‌کنند که لیگنین با ساختار آروماتیک خود، نرخ تخریب را کاهش می دهد. <br>نتیجه گیری: نتایج نشان داد افزودن لیگنین در کامپوزیت PVA/نانوسلولز موجب بهبود چسبندگی و یکپارچگی ماتریس در غلظت‌های پایین و کاهش جذب آب و افزایش آب‌گریزی می‌شود، اما در غلظت‌های بالا باعث جدایش فاز و کاهش پیوستگی ساختاری می‌گردد. ترکیب بهینه لیگنین و نانوسلولز تعادل بین پایداری ساختاری و نرخ زیست‌تخریب‌پذیری را فراهم می‌کند. بر اساس نتایج، ترکیب حاوی ۲۰ درصد لیگنین بهترین تعادل میان پایداری ساختاری، جذب آب و زیست‌تخریب‌پذیری را نشان داد و می‌تواند به‌عنوان گزینه‌ای مناسب برای توسعه داربست‌های زیستی در مهندسی بافت پیشنهاد شود. https://www.ijwp.ir/article_735481_bc147dee5114bf378c26f14fa4ecc769.pdf