مروری بر هیدروژل‌های حاوی الیاف در سامانه‌های دارورسانی
محورهای موضوعی : سامانه های پلیمری تحریک پذیر
محمدحسین کرمی
1
(دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر (پلی تکنیک تهران))
مجید عبدوس
2
(دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، تهران، صندوق پستی: 4413- 15875)
محمدرضا کلایی
3
(دانشگاه آزاد - تهران جنوب)
امید مرادی
4
(- دانشیار ، گروه مهندسی پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، صندوق پستی)
کلید واژه: کامپوزیت های هیدروژلی حاوی الیاف, دارورسانی, زخم پوش, پلیمرهای زیست سازگار, داربست.,
چکیده مقاله :
هیدروژل‌ها شبکه‌های سه‌بعدی از پلیمرهای آبدوست هستند که قادر به جذب و نگهداری مقادیر قابل‌توجهی از مایعات هستند. همچنین به‌طور گسترده در بهبود زخم، مهندسی بافت غضروف، مهندسی بافت استخوان، رهایش پروتئین‌ها، فاکتورهای رشد و آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌شود. در دهه‌های گذشته، تحقیقات زیادی برای تسریع بهبود زخم و رهایش دارو انجام شده است. داربست‌های مبتنی بر هیدروژل در هر دو مورد یک راه‌حل تکراری بوده‌اند. باوجوداین‌که پایداری مکانیکی آن‌ها همچنان چالش محسوب می‌شود، برخی از آن‌ها در حال حاضر به بازار رسیده‌اند. برای غلبه بر این محدودیت، تقویت هیدروژل‌ها با الیاف مورد بررسی قرار گرفته است. شباهت ساختاری کامپوزیت‌های هیدروژل حاوی الیاف به بافت‌های طبیعی نیروی محرکهای برای بهینه‌سازی و كاربرد این سامانه‌ها در زیست‌پزشکی بوده است. ترکیب فنون تشکیل هیدروژل و روش‌های ریسندگی الیاف در توسعه سامانه‌های داربست با استحکام مکانیکی بهبودیافته و خواص دارویی بسیار مهم بوده است. هیدروژل توانایی جذب ترشحات و حفظ تعادل رطوبت در محل زخم را دارد و الیاف از ساختار ماتریس سلول خارجی پیروی می‌کند. انتظار می‌رود ترکیب این دو ساختار در داربست با ایجاد محیطی مناسب با شناسایی و اتصال سلولی با فضای مرطوب و تنفسی مورد نیاز برای تشکیل بافت سالم، بهبود را تسهیل کند. اصلاح سطح الیاف به روش فیزیکی و شیمیایی باعث بهبود عملکرد کامپوزیت‌های هیدروژلی حای الیاف می‌شود.
Hydrogels are three-dimensional networks of hydrophilic polymers capable of absorbing and retaining significant amounts of fluids, which are also widely applied in wound healing, cartilage tissue engineering, bone tissue engineering, release of proteins, growth factors, and antibiotics. In the past decades, a lot of research has been done to accelerate wound healing. Hydrogel-based scaffolds have been a recurring solution in both cases, although their mechanical stability remains a challenge, some of which have already reached the market. To overcome this limitation, the reinforcement of hydrogels with fibers has been investigated. The structural similarity of hydrogel fiber composites to natural tissues has been a driving force for the optimization and exploration of these systems in biomedicine. Indeed, the combination of hydrogel formation techniques and fiber spinning methods has been very important in the development of scaffold systems with improved mechanical strength and medicinal properties. Hydrogel has the ability to absorb secretions and maintain moisture balance in the wound. In turn, the fibers follow the structure of the extracellular matrix (ECM). The combination of these two structures (fiber and hydrogel ) in a scaffold is expected to facilitate healing by creating a suitable environment by identifying and connecting cells with the moist and breathing space required for healthy tissue formation. Modifying the surface of fibers by physical and chemical methods improves the performance of hydrogel composites containing
1. Tang J.D., Mura C., Lampe K.J., Stimuli-Responsive, Pentapeptide, Nanofiber Hydrogel for Tissue Engineering, Journal of the American Chemical Society, 141, 4886-99, 2019.
2. Khorasani MT., Joorabloo A., Adeli H., Mansoori-Moghadam Z, Moghaddam A., Design and Optimization of
Process Parameters of Polyvinyl (alcohol)/ Chitosan/Nano Zinc
Oxide Hydrogels as Wound Healing Materials, Carbohydrate
Polymers, 207, 542-54, 2019.
3. Ali A., Ahmed S., A Review on Chitosan and its Nanocomposites in Drug Delivery, International Journal of Biology Macromolecule, 109, 273-86, 2018.
4. Haraguchi K., Nanocomposite Hydrogels, Current Opinion Solid State Material Science, 11, 47–54, 2017.
5. Satarkar NS., Biswal D., Hilt JZ., Hydrogel Nanocomposites: A Review of Applications as Remote Controlled Biomaterials, Soft Matter, 6,2364,71, 2010.
6. Gooneh-Farahani S., Naimi-Jamal MR., Naghib SM., Stimuliresponsive Grapheme Incorporated Multifunctional
Chitosan for Drug Delivery Applications: A Review, Expert Opinion Drug Delivery, 16, 79–99, 2019.
7. Kaur R., Kaur S., Roles of Polymers in Drug Delivery, Journal of Drug Delivery, 4, 32, 2014.
8. LaftahWA., Hashim S., Ibrahim AN., Polymer Hydrogels: A Review, Polymer-Plastics Technology and Materials, 50, 1475–86, 2011.
9. Zhao F., Yao D., Guo R., Deng L., Dong A., Zhang J., Composites of Polymer Hydrogels and Nanoparticulate Systems for Biomedical and Pharmaceutical Applications, Nanomaterial, 5, 2054-130, 2015.
10. Sannino A., Demitri C., Madaghiele M., Biodegradable Cellulosebased Hydrogels: Design and Applications. Material, 2, 353- 73, 2019.
11. Ma J., Li X., Bao Y., Advances in Cellulose-Based Superabsorbent Hydrogels, RSC Advanvces, 5, 59745- 57, 2015.
12. Gholamali I., Stimuli-Responsive Polysaccharide Hydrogels for Biomedical Applications: A Review, Regenerative
Engineering and Translational Medicine, 1- 24, 2019.
13. He M., Zhao Y., Duan J.,Wang Z., ChenY., Zhang L., Fast Contact of Solid-Liquid Interface Created High Strength Multi-layered Cellulose Hydrogels with Controllable Size, ACS Applies Material Interfaces, 6, 1872–8, 2014.
14. Qiu X., Hu S., Smart., Materials Based on Cellulose: A Review of the Preparations, Properties and Applications,
Material, 6, 738- 81, 2013.
15. Barkhordari S., Yadollahi M., Carboxymethyl Cellulose Capsulated Layered Double Hydroxides/Drug Nanohybrids for Cephalexin Oral Delivery, Applied Clay Science, 121, 77-85, 2016.
16. Yadollahi M., Gholamali I., Namazi H., Aghazadeh M., Synthesis and Characterization of Antibacterial Carboxymethyl Cellulose/ZnO Nanocomposite Hydrogels, International Journal of Biological Macromolecules, 74, 136–41, 2015.
17. Yadollahi M., Namazi H., Aghazadeh M., Antibacterial Carboxymethyl Cellulose/Ag Nanocomposite Hydrogels Crosslinked with Layered Double Hydroxides, International Journal of Biological Macromolecules, 79, 269-77, 2015.
18.Yadollahi M., Gholamali I., Namazi H., Aghazadeh M., Synthesis and Characterization of Antibacterial Carboxymethylcellulose/CuO Bio-Nanocomposite Hydrogels, International Journal of Biological Macromolecules, 73, 14-109, 2014.
19. Gholamali I., Facile Preparation of Carboxymethyl Cellulose/Cu Bio-Nanocomposite Hydrogels for Controlled Release of Ibuprofen, Regenerative Engineering and Translational Medicine, 6, 115,24, 2020.
20. Foroutan R., Ahmadlouydarab M., Ramavandi B.,
Mohammadi R.,Studying the Physicochemical Characteristics and Metals Adsorptive Behavior of CMC-g-HAp/Fe3O4 NanoBiocomposite., The Journal of Environmental Chemical Engineering, 6, 6049, 58, 2018.
21. Shen J., Song Z., Qian X., Yang F., Carboxymethyl Cellulose, Journal of Non-Crystalline Solids, 511, 201–11, 2019.
22. Che Nan NF., Zainuddin N., Ahmad M.,Preparation and Swelling Study of CMC Hydrogel as Potential Superabsorbent, Journal of Science & Technology, 27, 489-98, 2019.
23. Behzadi Nia S., Pooresmaeil M., Namazi H., CarboxymethylCellulose/Layered Double Hydroxides Bio-Nanocomposite Hydrogel: A Controlled Amoxicillin Nanocarrier for Colonic Bacterial Infections Treatment, International Journal of
Biological Macromolecules, 155, 1401–9, 2020.
24. Youssef A.M., El-Sayed S.M.,Bionanocomposites Materials for Food Packaging Applications: Concepts and Future Outlook, Carbohydrate Polymers, 193, 19-27, 2018.
25. Rakhshaei R., Namazi H.A., Potential Bioactive Wound Dressing Based on Carboxymethyl Cellulose/ ZnO Impregnated MCM-41 Nanocomposite Hydrogel, Materials Science and Engineering: C, 73,456–64, 2017.
26. Javanbakht S., Shaabani A., Carboxymethyl Cellulose-Based Oral Delivery Systems, International Journal of Biological Macromolecules, 133, 9–21, 2019.
27. Farhoudian S., Yadollahi M., Namazi H., Facile Synthesis of Antibacterial Chitosan/CuO Bio-Nanocompositehydrogel Beads, International Journal of Biological Macromolecules, 82, 837–843, 2016.
28. Upadhyaya L., Singh J., Agarwal V., Tewari RP.,The Implications of Recent Advances in Carboxymethyl Chitosan Based Targeted Drug Delivery and Tissue Engineering Applications, Journal of Control Release, 186, 54–87, 2014.
29. Yamada M., Foote M., Prow T.W., Therapeutic Gold, Silver, and Platinum Nanoparticles, Wires Nanomed Nanobiotechnology, 7, 428–445, 2015.
30. Karami M.H., Abdouss M., Kalaee M.R., Moradi O.,
Investigating the Antibacterial Properties of Chitosan Nanocomposites Containing Metal Nanoparticles For Using in Wound Healings: A Review Study, Basparesh, In Press, 2023.
31. Karami M.H., Abdouss M., Kalaee M.R., Moradi O.,
Application of Hydrogel Nanocomposites in Biotechnology: A review study, Iran polymer Technology, Research and Development, 1, 33-41, 2023.
32 Karami M.H.,Abdouss M., Kalaee M.R., MoradiO.,
AppliCation of Chitosan-based Nanocarriers in Improving the
Release of the Anticancer Drug Quercetin: A Review study, Nano World, 19, 21-11, 2023.
33.Zhang Z., He Z., Liang R., Ma Y., Huang W., Jiang R., Fabrication of a Micellar Supramolecular Hydrogel for Ocular Drug Delivery, Biomacromolecules, 17, 798,807, 2016.
34. Satarkar NS., Biswal D., Hilt JZ., Hydrogel Nanocomposites: A Review of Applications as Remote Controlled Biomaterials, Soft Matter, 6, 2364–71, 2010.
35. Sun X., Liu C., Omer A.M., Lu W., Zhang S., Jiang X., pH Sensitive ZnO/CarboxAymethyl Cellulose/Chitosan Bionanocomposite Beads for Colon-specific Release of 5-fluorouracil, International Journal of Biological Macromolecules, 128, 468–79, 2019.
مروری بر هیدروژل‌های حاوی الیاف در سامانه‌های دارورسانی
محمدحسین کرمی5و1، مجید عبدوس21 ، محمدرضا کلایی5و3، امید مرادی4
1- پژوهشگر پسا دکتری، دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، تهران، صندوق پستی: 4413-15875
2- دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، تهران، صندوق پستی: 4413- 15875
3- گروه مهندسی پلیمر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، صندوق پستی: 466-19585
4-
گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهر قدس ،تهران، ایران، صندوق پستی:374-37515
گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهر قدس ، صندوق پستی:374-37515
5- مرکز تحقیقات فن آوری نانو، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، تهران
چكيده:
هیدروژل‌ها شبکه‌های سه‌بعدی از پلیمرهای آبدوست هستند که قادر به جذب و نگهداری مقادیر قابل‌توجهی از مایعات هستند. همچنین به‌طور گسترده در بهبود زخم، مهندسی بافت غضروف، مهندسی بافت استخوان، رهایش پروتئین‌ها، فاکتورهای رشد و آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌شود. در دهه‌های گذشته، تحقیقات زیادی برای تسریع بهبود زخم و رهایش دارو انجام شده است. داربست‌های مبتنی بر هیدروژل در هر دو مورد یک راه‌حل تکراری بوده‌اند. باوجوداین‌که پایداری مکانیکی آن‌ها همچنان چالش محسوب می‌شود، برخی از آن‌ها در حال حاضر به بازار رسیده‌اند. برای غلبه بر این محدودیت، تقویت هیدروژل‌ها با الیاف مورد بررسی قرار گرفته است. شباهت ساختاری کامپوزیت‌های هیدروژل حاوی الیاف به بافت‌های طبیعی نیروی محرکهای برای بهینه‌سازی و اکتشاف این سامانه‌ها در زیست‌پزشکی بوده است. ترکیب فنون تشکیل هیدروژل و روش‌های ریسندگی الیاف در توسعه سامانه‌های داربست با استحکام مکانیکی بهبودیافته و خواص دارویی بسیار مهم بوده است. هیدروژل توانایی جذب ترشحات و حفظ تعادل رطوبت در محل زخم را دارد و الیاف از ساختار ماتریس سلول خارجی پیروی می‌کند. انتظار می‌رود ترکیب این دو ساختار در داربست با ایجاد محیطی مناسب با شناسایی و اتصال سلولی با فضای مرطوب و تنفسی مورد نیاز برای تشکیل بافت سالم، بهبود را تسهیل کند. اصلاح سطح الیاف به روش فیزیکی و شیمیایی باعث بهبود عملکرد کامپوزیت‌های هیدروژلی حای الیاف می‌شود.
واژگان کلیدی: کامپوزیت‌های هیدروژلی حاوی الیاف، دارورسانی، زخم‌پوش، پلیمرهای زیست‌سازگار، داربست.
A Review of Hydrogels Containing Fibers in Drug Delivery Systems
M.H. Karami1,4 , M. Abdouss12, M. R. Kalaee2,4 , O.Moradi3
1Department of Chemistry, Amirkabir University of Technology, Tehran P.O. Box 15875-4413, Tehran, Iran
2Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, P.O. Box: 19585-466, Tehran, Iran.
3Department of Chemistry, Shahre-Qods Branch, Islamic Azad University, Shahre-Qods 37515-374, Tehran, Iran
2NanoTechnology Research Center, Islamic Azad University, South Tehran Branch.
Abstract:
Hydrogels are three-dimensional networks of hydrophilic polymers capable of absorbing and retaining significant amounts of fluids, which are also widely applied in wound healing, cartilage tissue engineering, bone tissue engineering, release of proteins, growth factors, and antibiotics. In the past decades, a lot of research has been done to accelerate wound healing. Hydrogel-based scaffolds have been a recurring solution in both cases, although their mechanical stability remains a challenge, some of which have already reached the market. To overcome this limitation, the reinforcement of hydrogels with fibers has been investigated. The structural similarity of hydrogel fiber composites to natural tissues has been a driving force for the optimization and exploration of these systems in biomedicine. Indeed, the combination of hydrogel formation techniques and fiber spinning methods has been very important in the development of scaffold systems with improved mechanical strength and medicinal properties. Hydrogel has the ability to absorb secretions and maintain moisture balance in the wound. In turn, the fibers follow the structure of the extracellular matrix (ECM). The combination of these two structures (fiber and hydrogel) in a scaffold is expected to facilitate healing by creating a suitable environment by identifying and connecting cells with the moist and breathing space required for healthy tissue formation. Modifying the surface of fibers by physical and chemical methods improves the performance of hydrogel composites containing
Keywords: Hydrogel Composites Containing Fibers, Drug Delivery, Wound Dressings, Biocompatible Polymers, Scaffolds.
فهرست مطالب
1.مقدمه 3
2.پلیمرهای طبیعی سنتز شده: 5
3.هیدروژل: 7
4.روش های آماده سازی هیدروژل : 10
4-1- الیاف: 15
4-2- روش های تولید الیاف: 19
5.هیدروژل کامپوزیت حاوی الیاف: 20
6.کاربردهای هیدروژل کامپوزیت های حاوی الیاف: 22
6-1-زخم پوش: 24
6-2- رهایش دارو: 27
7-اصلاح سطح شیمیایی الیاف حیوانی: 28
8-اصلاح سطح فیزیکی الیاف: 29
9.نتیجه گیری: 30
10.مراجع : 31
1 مقدمه
مواد زیستی به‌عنوان موادی با دوام کم ولی قابلیت استفاده در دستگاه‌های پزشکی که دارای توانایی تعامل با سامانه‌های زیستی برای ارزیابی، درمان، جایگزینی یا بهبود عملکرد هر بافتی هستند، تعریف می‌شوند]1[. مواد زیستی به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. متداول‌ترین آن‌ها به ماهیت شیمیایی آن‌ها اشاره دارد و به مواد فلزی (آهنی و غیرآهنی) و غیرفلزی (پلیمرها، مواد زیستی، سرامیک و شیشه) تقسیم می‌شود. کامپوزیت‌ها یکی دیگر از کلاس‌های بسیار مهم زیست‌مواد در نظر گرفته می‌شوند و از ترکیب دو دسته از مواد حاصل می‌شوند که با هم‌افزایی برای بهبود خواص محصول نهایی بالاتر از خواص اجزای جداگانه کار می‌کنند. ادامه تحقیقات در این زمینه سطح ویژگی مواد زیستی توسعه‌یافته را افزایش داده و بنابراین تأثیر آن را در بازار جهانی مراقبت‌های بهداشتی افزایش داده است. پلیمرها بخش بزرگی از تمام مواد زیستی مورد استفاده در زمینه زیست‌پزشکی (حدود 45%) را نشان می‌دهند و به نظر می‌رسد کاربرد آن‌ها پایانی ندارد]2[. آن‌ها را می‌توان به شکل ذرات، فوم، فیلم، غشا، هیدروژل و الیاف و ترکیبی از این‌ها پردازش کرد. سپس می‌توان ساختارها را برای سامانه‌های زیست‌پزشکی به صورت تخصصی ایجاد کرد. . زیست‌پزشکی برای درک فرایندهای زیستی خاص و مهندسی درمان‌های با کارایی بالا برای درمان انواع بیماری‌ها به این ساختارها متوسل شده است]3[. نیاز به تطابق عملکردها و ویژگی‌های مورد نظر بافت یا سلول معین، ترکیب کلاس‌های مختلف مواد زیستی در ساختارهای پیچیده مانند هیدروژل کامپوزیت حاوی الیاف را هدایت کرده است تا بتواند به‌طور موثر به نیازهای محلی پاسخ دهد و ابزار لازم را برای رسیدن به اهداف مورد نظر فراهم کند]3[. سال‌های اخیر، کامپوزیت‌های الیاف هیدروژل به‌عنوان یکی از آن سامانه‌هایی معرفی شده‌اند که ساختارهای مختلف را برای بهبود ویژگی‌های فردی و افزایش مزایای ذاتی برای دستیابی به نتایج موفق ترکیب می‌کنند. در مهندسی زیست‌پزشکی، اهمیت این سازه‌ها به ویژه در بهبود زخم و دارورسانی قابل‌توجه است. در هر دو زمینه، کامپوزیت‌های هیدروژل حاوی الیاف، می‌تواند جایگزین خوبی برای استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها یا تجویز کنترل‌شده آن‌ها باشد]4[. در این پژوهش، با معرفی مفاهیم اساسی مرتبط با خواص پلیمر و پردازش در قالب الیاف و هیدروژل آغاز کرده و سپس به سمت ترکیب این دو در یک ساختار برای پاسخگویی موفقیت‌آمیز به نیازهای خاص حرکت می‌کنیم. جدیدترین مطالعاتی که کامپوزیت‌های الیاف هیدروژل را برجسته می‌کنند، در اینجا شناسایی شده‌اند و توجه ویژه‌ای به مهندسی زخم‌پوش‌ها و سامانه‌های تحویل دارو می‌دهند.
2 پلیمرهای طبیعی سنتزشده
واژه پلیمر از واژه یونانی poly و meros به‌ترتیب به معنای بسیاری و اجزا گرفته شده است. پلیمرها درشت‌مولکول‌هایی هستند که از تکرار مولکول‌های کوچک‌تر به وجود می‌آیند. ماهیت مونومرها و پیوندهای خاص ایجادشده بین آن‌ها و بازآرایی زنجیره پلیمری آن‌ها خواص پلیمر ساخته‌شده را تعیین می‌کند. فرایندی که از طریق آن پلیمری تشکیل می‌شود پلیمری‌شدن نامیده می‌شود و می‌توان آن را به‌عنوان واکنشی شیمیایی توصیف کرد که در آن پلیمر با ترکیب یک یا چند مونومر تشکیل می‌شود. پلیمرها همچنین می‌توانند به‌صورت سنتز طبیعی یا مصنوعی تولید شوند [5]. پلیمرهای طبیعی در طبیعت در طول چرخه زندگی سامانه‌های زیستی مانند گیاهان، ریزاندام‌واره‌ها و حیوانات ایجاد می‌شوند. این پلیمرها به‌دلیل سازگاری زیستی، غیرسمی بودن، زیست‌تخریب‌پذیری و زیست‌فعالی، به‌ویژه خواص ذاتی ضدالتهابی و ضدباکتریایی، به‌طورگسترده در مهندسی بافت، پوشش‌های زخم و سامانه‌های دارورسانی استفاده می‌شوند[6]. این پلیمرها شامل پلی‌ساکاریدها و پلی‌پپتیدها هستند. پلی‌ساکاریدها، فراوان‌ترین دسته‌ی زیست‌پلیمرها هستند. مولکول‌های کربوهیدرات پلیمری که توسط پیوندهای گلیکوزیدی با ساختارها و خواص متفاوت بسته به وزن مولکولی و ترکیب شیمیایی تشکیل می‌شوند. به‌طور خاص، پلی‌ساکاریدها، در مقایسه با پلی‌پپتیدها، عموماً پایدارتر هستند و معمولاً در هنگام گرم شدن ساختارهای مولکولی آن‌ها دچار تغییر نمی‌شوند[7]. آن‌ها با توجه به خواص شیمیایی چند کارکرد دارند، واکنش شیمیایی بالا، کایرالیته، کیلاسیون و ظرفیت جذب که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به‌راحتی از نظر شیمیایی و بیوشیمیایی اصلاح شوند. این تغییرات منجر به مشتقات مختلف پلی‌ساکارید می‌شود که دامنه کاربردها را افزایش می‌دهد. آلژینات، اسیدهیالورونیک (HA)، سلولز و کیتوسان (CS) در بین پلی‌ساکاریدها به دلیل بیشترین استفاده در زیست‌پزشکی در این تحقیق در جدول1 جمع‌آوری شده‌اند[8].
پلی‌ساکاریدها و پلی‌پپتیدها توسط ریزاندام‌واره‌ها تولید می‌شوند. پلی‌پپتیدها درشت‌مولکول‌هایی هستند که از واحدهای مکرر اسیدهای آمینه که توسط پیوندهای پپتیدی به هم متصل شده‌اند، تشکیل شده‌اند. تطبیق‌پذیری، انعطاف‌پذیری، عملکرد خوب در انطباق متابولیک و تقلید از ماتریس خارج سلولی آن‌ها را به گزینه‌ی خوبی برای داربست بافتی و رهایش دارو از نوع دارو- ژن تبدیل کرده است[9]. رایج‌ترین پلی‌پپتیدهای مورد استفاده در زیست‌پزشکی کلاژن و ژلاتین هستند. با این حال، محدودیت‌های شناخته‌شده پلیمرهای طبیعی شامل پایداری ابعادی بسیار کم، حساسیت به پاسخ‌های ایمونوژنیک و امکان انتقال پاتوژن و تنوع زیاد است. به همین دلیل، پلیمرهای مصنوعی زیست تخریب‌پذیر اغلب به‌عنوان جایگزین استفاده می‌شوند[10]. در واقع، برخی از مزایای کلیدی پلیمرهای مصنوعی، تکرارپذیری در تولید آن‌هاست که امکان تولید انبوه و توانایی تنظیم آن‌ها بر اساس الزامات خاص را فراهم می‌کند و همچنین مشخصات تخریب آن‌ها را نیز می‌توان به‌راحتی از طریق گروه‌های هیدرولیتیک آن‌ها تغییر داد. علاوه بر این، پلیمرهای مصنوعی از نظر زیستی خنثی هستند؛ بنابراین بدون تأثیر درمانی، باعث التهاب مزمن می‌شوند [11]. نمونه مواد به‌کاررفته در زیست‌پزشکی مانند، پلی‌اتیلن‌اکسید (PEO)، پلی‌کاپرولاکتون (PCL)، پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA)، پلی‌لاکتیک-کو-گلیکولیک‌اسید (PLGA)، پلی‌وینیل‌پیرولیدون (PVP) و پلی‌وینیل‌الکل بیشترین پلیمرهای مورد مطالعه در این زمینه را تشکیل می‌دهند که در (جدول 1) جمع‌آوری شده‌اند[12]. آن‌ها همچنین ممکن است با پلیمرهای طبیعی ترکیب شوند. پلیمرهای هیبرید می‌توانند از ترکیب کلی یا جزئی پلیمرهای طبیعی و مصنوعی حاصل شوند. همان‌طور که در مورد ترکیب PLGA (پلیمر مصنوعی) و CS (پلیمر طبیعی) است که باعث تشکیل آنتی‌بیوتیک PLGA-CS می‌شود که ترکیب هیبریدی است و در چندین زمینه یعنی در زمینه رهایش درمانی(therapeutic delivery)، مورد مطالعه قرار گرفته است[13]. انتخاب پلیمرها برای تشکیل داربست‌ها، بر اساس ویژگی‌های آن‌ها، در خواص و کاربرد داربست نهایی بسیار مهم است. در حال حاضر، هم‌افزایی بین مواد زیستی مصنوعی و طبیعی در قالب داربست‌های سه‌بعدی، مانند هیدروژل‌ها و نمدهای نانوالیافی، تقاضای زیادی برای کاربردهای زیست‌پزشکی دارند و اغلب بر سازه‌های ساخته‌شده از پلیمرهای متعلق به تنها یکی از این دسته‌ها ترجیح داده می‌شوند[14].
جدول1 کاربرد پلیمرهای طبیعی و مصنوعی در زخم‌پوش، مهندسی بافت و کاربردهای دارورسانی [10-4].
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
3 هیدروژل
هیدروژل‌ها شبکه‌های سه‌بعدی از پلیمرهای آبدوست هستند که قادر به جذب و نگهداری مقادیر قابل‌توجهی از مایعات هستند که همچنین به‌طورگسترده در بهبود زخم، مهندسی بافت غضروف، مهندسی بافت استخوان، رهایش پروتئین‌ها، فاکتورهای رشد و آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌شود[14]. هیدروژل‌ها را می‌توان بر اساس منبع آن‌ها، یعنی پلیمرهای سازنده، به‌صورت طبیعی یا مصنوعی طبقه‌بندی کرد (جدول 2). بنابراین، هیدروژل‌های مشتق‌شده از طبیعت ممکن است از پلی‌ساکاریدها یا پلی‌پپتیدهای طبیعی تشکیل شده باشند که مکان‌های شناسایی مولکولی را قادر می‌سازند[15]. از سوی دیگر، هیدروژل‌های مبتنی بر پلیمرهای مصنوعی معمولاً از نظر مکانیکی انعطاف‌پذیر هستند و خاصیت ارتجاعی برتری را نشان می‌دهند. با این حال، بی‌اثری زیستی آن‌ها که مانع از هر گونه شانس تنظیم رفتار سلولی به سمت وضعیت سالم‌تر می‌شود، استفاده از آن‌ها را در زیست‌پزشکی محدود می‌کند. هیدروژل‌های ترکیبی، ترکیب پلیمرهای طبیعی و مصنوعی برای ایجاد هیدروژل‌های هوشمند به‌عنوان مثال آلژینات/ پلی‌اتیلن‌اکسید پیوندداده‌شده با پلی‌پروپیلن‌اکسید، در مواد زیست‌پزشکی پلی‌وینیل‌الکل/ کلاژن و در کاربردهای مهندسی بافت کیتوسان/ پلی‌کاپرولاکتون می‌توان اشاره کرد[16]. ترکیب پلیمری آن‌ها همچنین ممکن است هیدروژل‌ها را در هموپلیمرها، کوپلیمرها، چندپلیمرها یا شبکه‌های پلیمری متقابل تقسیم کند. هیدروژل‌های هموپلیمر از شبکه‌های پلیمری شبکه‌ای ساخته شده‌اند که از یک نوع واحد ساختاری پایه (مونومر) مشتق شده‌اند[17]. هیدروژل‌های کوپلیمری شبکه‌های پلیمری متقاطع هستند که از دو واحد هم‌مونومری با حداقل یک جزء آبدوست (غیر محلول در آب) تشکیل شده‌اند. این شبکه‌ها می‌توانند سه نوع پیکربندی را در نظر بگیرند، دلخواه، مسدود یا ممکن است به‌طور متناوب بین هر دو در طول زنجیره هیدروژل‌های چندپلیمری نتیجه واکنش سه یا چند مونومر مشترک باشند[18]. شبکه‌های پلیمری درهم‌نفوذ کرده، کلاس مهمی هستند که از دو جزء پلیمری مصنوعی یا طبیعی متصل به شبکه مستقل تشکیل شده است که در آن شبکه پلیمری هیدروژل جدید در داخل پلیمری می‌شود. در صورتی که فقط یک شبکه پلیمری از این دو به هم متصل باشد، هیدروژل‌ها به‌عنوان نیمه‌شبکه‌های پلیمری درهم‌نفوذکرده (Semi-IPNs) تعیین می‌شوند[19].
جدول2 طبقه‌بندی هیدروژل‌ها با توجه به نوع خواص[19].
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
شبکه‌های هیدروژل، بسته به ترکیب فیزیکی و ترکیب شیمیایی، مخلوط نیمه‌بلوری از فازهای بلوری و همچنین آمورف هستند. این خصوصیات همچنین ممکن است بر سرعت تخریب هیدروژل که به ساختارهای تجزیه‌پذیر یا غیرقابل‌تجزیه تقسیم می‌شوند، تأثیر بگذارند. اکثر هیدروژل‌های مورد استفاده در مهندسی بافت و سامانه‌های دارورسانی زیست‌تخریب‌پذیر هستند و برای تجزیه به مولکول‌های قابل‌قبول زیستی (دو محصول تخریب غیرسمی) توسعه یافته‌اند [20].
تنان و همکاران هیدروژل نیمه‌شبکه‌ای‌شده متشکل از مخلوطی از نشاسته کاساوا/پلی‌آکریلیک‌اسید/لاستیک طبیعی و پلی‌وینیل‌الکل آماده کردند. این هیدروژل ظرفیت نگهداری آب بسیار خوبی از خود نشان داد و ثابت کرد که به غلظت نمک و نوع کاتیون‌ها بسیار حساس است. Hp و زمان تورم علاوه بر این تجزیه زیستی خوبی را با نرخ 626/0 درصد وزنی در روز نشان داد[21]. از نظر خواص فیزیکی، هیدروژل‌ها را می‌توان در دو دسته‌ی معمولی یا هوشمند طبقه‌بندی کرد. هیدروژل‌های معمولی به‌طور کلی با نرخ پاسخ پایین مشخص می‌شوند. آن‌ها به‌دلیل اندازه ماتریس کوچکشان دارای نرخ تورم بسیار پایینی هستند. این محدودیت باعث علاقه بیشتر به هیدروژل‌های ماکروسکوپی شده است، جایی که اندازه منافذ امکان تورم بالاتری را فراهم می‌کند [22]. هیدروژل‌های هوشمند هیدروژل‌هایی هستند که به تغییرات شرایط محیطی (محرکهای خارجی) با تورم یا فروپاشی برگشت‌پذیر (reversibly collapsing)واکنش نشان می‌دهند. هیدروژل‌ها می‌توانند فیزیکی، شیمیایی یا شیمیایی/زیستی در رابطه با نوع پاسخ محرک باشند. محرکهای فیزیکی مانند دما، میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، نور و فشار و محرکهای شیمیایی مانند pH، ترکیب حلال و قدرت یونی می‌توانند حالت تورم هیدروژل را تغییر دهند. هیدروژل‌ها با پاسخ‌های بیوشیمیایی/زیستی قادر به تعامل با محیط اطراف هستند [23]. از نظر تولید، هیدروژل‌ها را می‌توان با اتصال عرضی فیزیکی یا شیمیایی پلیمرها تشکیل داد که در بخش‌های بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت. هیدروژل‌ها را همچنین می‌توان بر اساس بار آن‌ها به غیریونی (خنثی)، یونی (آنیونی یا کاتیونی)، آمفوتریک (گروه‌های اسیدی و بازی) یا زوئیتریونی (گروه‌های آنیونی و کاتیونی در هر واحد ساختاری) طبقه‌بندی کرد [19]. هیدروژل‌ها از درجه بالایی از انعطاف‌پذیری، گرانروکشسانی قابل‌تنظیم، زیست‌سازگاری، نفوذپذیری بالا در برابر اکسیژن و مواد مغذی ضروری، محتوای آب بالا و کشش سطحی کم با محیط آبی بهره می‌برند. زیست‌سازگاری هیدروژل، توانایی آن برای انجام عملکرد مورد نظر خود بدون ایجاد عوارض جانبی است. در مورد زخم‌ها، چسبندگی محدود آن‌ها ممکن است بدون ایجاد ضربه اضافی یا تخریب بافت‌های تازه تشکیل‌شده، از بستر زخم خارج شود [18]. برخی از هیدروژل‌ها حتی ظرفیت تغییر حالت تورم خود را در پاسخ به تغییرات محیطی دارند. این‌ها به‌عنوان محرک‌هایی برای تغییر خواص فیزیکی یا شیمیایی هیدروژل عمل می‌کنند. به‌عنوان مثال، در مورد هیدروژل‌های حساس به pH، پلیمرهایی که هی