پیشرفتهای نوین در هیدروژلهای مبتنی بر پلیمرهای طبیعی: از سنتز تا کاربرد و چشماندازهای آینده در حوزههای زیست پزشکی، ریزاستخراج و محیط زیست
محورهای موضوعی :بیتا عابدی 1 , میلاد غنی 2 * , مرضیه کاویان 3
1 - مازندران، دانشگاه مازندران، دانشکده شیمی، گروه شیمی تجزیه، آزمایشگاه جداسازی
2 - دانشگاه مازندران
3 - دانشگاه مازندران
کلید واژه: هیدروژل, پلیمر طبیعی, سنتز, زیست پزشکی و محیط زیست,
چکیده مقاله :
هیدروژل، شبکهای از زنجیرهای پلیمری آبدوست است که گاهی به صورت یک ژل کلوئیدی یافت میشوند که در آن آب، فاز پخشکننده است. هیدروژل یک ساختار سه بعدی از زنجیرهای پلیمری هیدرولیکی است که توسط پیوندهای عرضی نگه داشته میشود. به دلیل حضور پیوندهای عرضی ذاتی، تمامیت ساختاری شبکه آبژل در آب، تجزیه و تخریب نمیشود و بسته به ساختار، نوع و درجه پیوند عرضی، پایداری هیدروژل در محیط های فیزیولوژی حفظ می شود. هیدروژلها، به دلیل زیست سازگاری، قابلیت تجزیهپذیری زیستی و چند کاربردی بودن چشمگیر خود، توجه گستردهای را در حوزههای ریزاستخراج، شیمی تجزیه، زیست پزشکی و صنعتی به خود جلب کردهاند. در میان انواع گوناگون هیدروژلها، نمونههای مبتنی بر پلیمرهای طبیعی به دلیل زیست سازگاری ذاتی و پایداری زیست محیطی خود، جایگاه ویژهای یافتهاند. این مقاله، نوآوریهای پیشرو در زمینهی سنتز و کاربرد هیدروژلهای مبتنی بر پلیمرهای طبیعی را مورد بررسی قرار میدهد. پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته، کیتوسان، آلژینات، لیگنین و کاراگینان از نظر ویژگیهای ساختاری منحصر به فرد، ساز و کارهای ژل شدن و تاثیر چشمگیر عوامل شبکهای کننده بر عملکرد آنها، مورد بررسی قرار گرفتهاند. کاربردهای گوناگون این هیدروژلها در حوزههایی مانند مهندسی بافت، رهایش کنترل شده دارو، ترمیم زخم و پالایش محیط زیست به طور انتقادی ارزیابی شده است. با ترکیب یافتههای اخیر و روندهای نوظهور، این مقاله میکوشد چشم اندازی روشن از آینده ترسیم کرده و الهام بخش پژوهشها و نوآوریهای بعدی در جهت بهرهگیری کامل از ظرفیت این مواد زیستی پایدار باشد.
Hydrogel is a network of hydrophilic polymer chains, sometimes found as a colloidal gel in which water is the dispersion phase. A hydrogel is a three-dimensional structure of hydrophilic polymer chains held together by crosslinks. Due to the presence of intrinsic crosslinks, the structural integrity of the hydrogel network does not degrade in water, and depending on the structure, type, and degree of crosslinking, the stability of the hydrogel in physiological environments is maintained. Hydrogels have attracted extensive attention in the fields of microextraction, analytical chemistry, biomedicine, and industry due to their biocompatibility, biodegradability, and remarkable versatility. Among the various types of hydrogels, examples based on natural polymers have gained a special place due to their intrinsic biocompatibility and environmental stability. This article reviews the leading innovations in the synthesis and application of hydrogels based on natural polymers. Natural polymers such as starch, chitosan, alginate, lignin, and carrageenan are reviewed for their unique structural features, gelation mechanisms, and the significant impact of crosslinking agents on their performance. The diverse applications of these hydrogels in areas such as tissue engineering, controlled drug release, wound healing, and environmental remediation are critically evaluated. By combining recent findings and emerging trends, this article attempts to paint a bright future vision and inspire further research and innovation to fully exploit the potential of these sustainable biomaterials.
[1] Gosecka M., Gosecki M., Jaworska‐Krych D., Hydrophobized hydrogels: construction strategies, properties, and biomedical
applications, Advanced Functional Materials, 33(25), 2212302, 2023. [2] Mahmood A., Patel D., Hickson B., DesRochers J., Hu X., Recent progress in biopolymer-based hydrogel materials for
biomedical applications International Journal of Molecular Sciences, 23(3), 1415, 2022. [3] Siwal S. S., Mishra K., Saini A. K., Alsanie W. F., Kovalcik A., Thakur V. K., Additive manufacturing of bio-based hydrogel
composites: recent advances, Journal of Polymers and the Environment, 30(11), 4501-4516, 2022. [4] Ali A., Ahmed S., Recent advances in edible polymer based hydrogels as a sustainable alternative to conventional
polymers, Journal of agricultural and food chemistry, 66(27), 6940-6967, 2018. [5] Gupta N., Mahur B. K., Izrayeel A. M. D., Ahuja A., Rastogi V. K., Biomass conversion of agricultural waste residues for
different applications: a comprehensive review, Environmental Science and Pollution Research, 29(49), 73622-73647, 2022. [6] Rizwan M., Yahya R., Hassan A., Yar M., Azzahari A. D., Selvanathan V., Abouloula C. N., pH sensitive hydrogels in drug delivery: Brief history, properties, swelling, and release mechanism, material selection and applications, Polymers, 9(4), 137,
2017. [7] Bustamante-Torres M., Romero-Fierro D., Arcentales-Vera B., Palomino K., Magaña H., Bucio E., Hydrogels classification
according to the physical or chemical interactions and as stimuli-sensitive materials, Gels, 7(4), 182, 2021. [8] Wang W., Zhang Y., Liu W., Bioinspired fabrication of high strength hydrogels from non-covalent interactions, Progress in
Polymer Science, 71, 1-25, 2017. [9] Gyles D. A., Castro L. D., Silva Jr J. O. C., Ribeiro-Costa R. M., A review of the designs and prominent biomedical advances
of natural and synthetic hydrogel formulations, European Polymer Journal, 88, 373-392, 2017. [10] Yannas I. V., Tzeranis D. S., Harley B. A., So P. T. C., Biologically active collagen-based scaffolds: advances in processing and characterization, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences,
368(1917), 2123-2139, 2010. [11] Su J., Li J., Liang J., Zhang K., Li J., Hydrogel preparation methods and biomaterials for wound dressing, Life, 11(10), 1016,
2021. [12] Liu Y., Wang J., Chen H., Cheng D., Environmentally friendly hydrogel: A review of classification, preparation and
application in agriculture, Science of the Total Environment, 846, 157303, 2022. [13] Demeter M., Călina I., Scărișoreanu A., Micutz M., E-beam cross-linking of complex hydrogels formulation: The influence
of poly (Ethylene Oxide) concentration on the hydrogel properties, Gels, 8(1), 27, 2021. [14] Tang Y., Heaysman C. L., Willis S., Lewis A. L., Physical hydrogels with self-assembled nanostructures as drug delivery
systems, Expert opinion on drug delivery, 8(9), 1141-1159, 2011. [15] Sim B., Chang J. J., Lin Q., Wong J. H. M., Ow V., Leow Y., Loh X. J., Hydrogels based on polyelectrolyte complexes:
underlying principles and biomedical applications, Biomacromolecules, 25(12), 7563-7580, 2024. [16] Hoque M., Alam M., Wang S., Zaman J. U., Rahman M. S., Johir M. A. H., Yoon M. H., Interaction chemistry of functional
groups for natural biopolymer-based hydrogel design, Materials Science and Engineering: R: Reports, 156, 100758, 2023. [17] Selvaraj S., Chauhan A., Dutta V., Verma R., Rao S. K., Radhakrishnan A., Ghotekar S., A state-of-the-art review on plant-derived cellulose-based green hydrogels and their multifunctional role in advanced biomedical applications, International
Journal of Biological Macromolecules, 265, 130991, 2024. [18] Huang X., Li J., Luo J., Gao Q., Mao A., Li J., Research progress on double-network hydrogels, Materials Today
Communications, 29, 102757, 2021. [19] Malik U. S., Niazi M. B. K., Jahan Z., Zafar M. I., Vo D. V. N., Sher, F., Nano-structured dynamic Schiff base cues as robust self-healing polymers for biomedical and tissue engineering applications: a review, Environmental Chemistry Letters, 20(1),
495-517, 2022. [20] Sringam J., Pankongadisak P., Trongsatitkul T., Suppakarn N., Improving mechanical properties of starch-based hydrogels
using double network strategy, Polymers, 14(17), 3552., 2022. [21] Ellis R. P., Cochrane M. P., Dale M. F. B., Duffus C. M., Lynn A., Morrison I. M., Tiller S. A., Starch production and
industrial use, Journal of the Science of Food and Agriculture, 77(3), 289-311, 1998. [22]
Necas J., Bartosikova L., Carrageenan: a review, Veterinarni medicina, 58(4), 187-205, 2013. [23] Horga R., Di Renzo F., Quignard F., Ionotropic alginate aerogels as precursors of dispersed oxide phases, Applied Catalysis A: General, 325(2), 251-255, 2007.
[24] Pujana M. A., Pérez-Álvarez L., Iturbe L. C. C., Katime I., Biodegradable chitosan nanogels crosslinked with genipin,
Carbohydrate Polymers, 94(2), 836-842, 2013. [25] Wang X., Zhou Z., Guo X., He Q., Hao C., Ge C., Ultrasonic-assisted synthesis of sodium lignosulfonate-grafted poly
(acrylic acid-co-poly (vinyl pyrrolidone)) hydrogel for drug delivery, RSC advances, 6(42), 35550-35558, 2016. [26] Wang H., Jiang L., Wu H., Zheng W., Kan D., Cheng R., Sun S. K., Biocompatible iodine–starch–alginate hydrogel for tumor
photothermal therapy, ACS Biomaterials Science & Engineering, 5(7), 3654-3662, 2019. [27]
Calvert P., Hydrogels for soft machines, Advanced materials, 21(7), 743-756, 2009. [28] Bonifacio M. A., Cometa S., Cochis A., Scalzone A., Gentile P., Scalia A. C., De Giglio E., A bioprintable gellan gum/lignin hydrogel: a smart and sustainable route for cartilage regeneration, International Journal of Biological Macromolecules, 216,
336-346, 2022. [29] Wang W., Zhang Y., Liu W., Bioinspired fabrication of high strength hydrogels from non-covalent interactions, Progress in
Polymer Science, 71, 1-25, 2017. [30] Lu Y., Wang Z., Ouyang X. K., Ji C., Liu Y., Huang F., Yang L. Y., Fabrication of cross-linked chitosan beads grafted by polyethylenimine for efficient adsorption of diclofenac sodium from water, International journal of biological
macromolecules, 145, 1180-1188, 2020.