مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران
2 استاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران
3 استاد، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده فناوری های نوین علوم پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران
4 استادیار، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده فناوری های نوین علوم پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران
5 استاد، پژوهشکده فناوریهای شیمیایی، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران
10.22034/ijwp.2026.2080598.1749
چکیده
چکیده
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.
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.
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.
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.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Abdelaziz, A.G., Nageh, H., Abdo, S.M., Abdalla, M.S., Amer, A.A., Abdal-Hay, A. and Barhoum, A., 2023. A review of 3D polymeric scaffolds for bone tissue engineering: principles, fabrication techniques, immunomodulatory roles, and challenges. Bioengineering, 10(2), p.204.
[2] Baniasadi, H., Abidnejad, R., Fazeli, M., Lipponen, J., Niskanen, J., Kontturi, E., Seppälä, J. and Rojas, O.J., 2024. Innovations in hydrogel-based manufacturing: A comprehensive review of direct ink writing technique for biomedical applications. Advances in Colloid and Interface Science, 324, p.103095.
[3] Rossi, A., Pescara, T., Gambelli, A.M., Gaggia, F., Asthana, A., Perrier, Q., Basta, G., Moretti, M., Senin, N., Rossi, F. and Orlando, G., 2024. Biomaterials for extrusion-based bioprinting and biomedical applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 12, p.1393641.
[4] Norouzi, S., Shemshaki, N.S., Norouzi, E., Latifi, M., Azimi, B., Danti, S., Qiao, X., Miao, Y., Yang, S., Gorji, M. and Petrovic, V., 2024. Recent advances in biomaterials for tissue-engineered constructs: Essential factors and engineering techniques. Materials Today Chemistry, 37, p.102016.
[5] Ajdary, R., Reyes, G., Kuula, J., Raussi-Lehto, E., Mikkola, T.S., Kankuri, E. and Rojas, O.J., 2021. Direct ink writing of biocompatible nanocellulose and chitosan hydrogels for implant mesh matrices. ACS polymers Au, 2(2), pp.97-107.
[6] Yang, J., An, X., Yin, L., Lu, B., Lyu, X., Cheng, Z., Pan, G., Liu, H. and Ni, Y., 2024. 3D printing of lignin-based supramolecular topological shape-morphing architectures with high strength, toughness, resolution, and fatigue resistance. Additive Manufacturing, 95, p.104519.
[7] Aitchison, A.H., Allen, N.B., Mitra, K., Abar, B., O’Neill, C.N., Bagheri, K., Anastasio, A.T. and Adams, S.B., 2024. Tunable alginate-polyvinyl alcohol bioinks for 3D printing in cartilage tissue engineering. Gels, 10(12), p.829.
[8] ASTM International (2021) Standard Practice for Rubber IRM 901, IRM 902, and IRM 903 Replacement Oils for ASTM No. 1, ASTM No. 2, ASTM No. 3 Oils, and ASTM No. 5 Oil، ASTM D5964-XX. West Conshohocken, PA: ASTM International.
[9] ASTM International (2016) Standard Test Method for Wear Testing of Polymeric Materials Used in Total Joint Prostheses، ASTM F1635-16. West Conshohocken, PA: ASTM International.
[10] Panicker, P.S., Agumba, D.O. and Kim, J., 2022. High-strength, multifunctional, and long nanocellulose hybrid fibers coated with esterified poly (vinyl alcohol)–citric acid–lignin resin. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10(30), pp.10024-10033.
[11] Yang, W., Qi, G., Kenny, J.M., Puglia, D. and Ma, P., 2020. Effect of cellulose nanocrystals and lignin
nanoparticles on mechanical, antioxidant and water vapour barrier properties of glutaraldehyde crosslinked PVA films. Polymers, 12(6), p.1364.
[12] Phansamarng, P., Bacchus, A., Pour, F.H., Kongvarhodom, C. and Fatehi, P., 2024. Cationic lignin incorporated polyvinyl alcohol films for packaging applications. Industrial Crops and Products, 221, p.119217.
[13] Akshaya, S. and Nathanael, A.J., 2025. Influence of amino silane-modified nanocellulose on the physico-chemical and mechanical properties of alginate films. Materials Advances.
[14] Guo, Z., Ma, Z. and Wang, D., 2025. Quantitative rationalization of the unexpectedly moderate water wettability of poly (vinyl alcohol) surfaces: thermodynamic evaluation and prediction of surface hydrogen bonding. Soft Matter, 21(13), pp.2548-2557.
[15] Jiang, B., Jiao, H., Guo, X., Chen, G., Guo, J., Wu, W., Jin, Y., Cao, G. and Liang, Z., 2023. Lignin‐based materials for additive manufacturing: chemistry, processing, structures, properties, and applications. Advanced Science, 10(9), p.2206055.
[16] Mobredi, K., Miranda-Valdez, I.Y., Mäkinen, T., Koivisto, J. and Alava, M.J., 2024. A simple approach to produce hydrophobic biobased coatings using methylcellulose and organosolv lignin. Soft Matter, 20(28), pp.5607-5615.
[17] Tian, R., Liu, Y., Wang, C., Jiang, W., Janaswamy, S., Yang, G., Ji, X. and Lyu, G., 2024. Strong, UV-blocking, and hydrophobic PVA composite films containing tunable lignin nanoparticles. Industrial Crops and Products, 208, p.117842.
[18] Cao, X., Li, X., Wu, R., Liu, B. and Lin, W., 2024. Enhancing the performance of biodegradable lignin nanoparticle/PVA composite films via phenolation pretreatment of lignin using a novel ternary deep eutectic solvent. Coatings, 14(12), p.1544.