‌هیدروژل کامپوزیتی کیتوسان-وانیلین-مونت‌موریلونیت: تهیه و خواص مکانیکی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده

رفسنجان، دانشگاه ولی‌عصر(عج)، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 7718897111

چکیده

فرضیه: کیتوسان زیست‌پلیمری تجدیدپذیر است که امروزه به‌عنوان ماده‌ای مؤثر و پرکاربرد در صنایع مختلف به‌کار می‌رود. برای تولید هیدروژل‌های کیتوسان از عوامل اتصال عرضی مختلفی استفاده می‌شود که اغلب آن‌ها سمی و خطرآفرین هستند با توجه به کاربردهای فراوان کیتوسان در پزشکی، دارورسانی، مهندسی بافت و صنایع غذایی بهتر است که از عوامل اتصال عرضی ایمن و غیرسمی برای تولید زیست‌پلیمرها و هیدروژل‌های کیتوسانی استفاده شود. وانیلین، آلدهیدی طبیعی و غیر‌سمی است که می‌تواند به‌عنوان عامل اتصال عرضی برای تولید هیدروژل‌های کیتوسانی به‌کار گرفته شود. اتصال‌های ‌عرضی که وانیلین با کیتوسان برقرار می‌کند، از یک طرف پیوند نوع باز شیف و از طرف دیگر پیوند ‌هیدروژنی است که باعث می‌شود، هیدروژل کیتوسان-وانیلین (CV) نسبت به سایر هیدروژل‌های کیتوسان-دی‌آلدهیدها از نظر مکانیکی ضعیف‌تر باشد. در اغلب مطالعات، هیدروژل کیتوسان-وانیلین با مقیاس میکرو و نانو و نیز به‌شکل زیست‌لایه بررسی می‌شود. هدف در این مطالعه ساخت درشت‌هیدروژل‌های متخلخل CV و بررسی خواص مکانیکی آن‌هاست. همچنین، اثر استفاده از ‌پرکننده‌های مونت‌موریلونیت (MMT) بر بهبود خواص مکانیکی درشت‌هیدروژل‌های کیتوسان-وانیلین-مونت‌موریلونیت (CMV) بررسی شد. 
روش‌ها: هیدروژل‌های کیتوسان با عامل اتصال عرضی وانیلین و پرکننده‌های مونت‌موریلونیت ساخته شدند. طیف‌شناسی زیر‌‌قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و میکرو‌سکوپی الکترون پویشی (SEM) به‌ترتیب برای شناسایی پیوندهای تشکیل‌شده و بررسی شکل‌شناسی هیدروژل‌ها انجام‌ شد. سپس، مقدار ژل‌شدن، جذب آب، تخلخل و خواص مکانیکی هیدروژل‌ها بررسی شد. 
یافته‌ها: نتایج نشان داد، درشت‌هیدروژل‌های حاصل از کیتوسان و عامل اتصال عرضی وانیلین (CV,CMV) خواص مکانیکی مناسبی به‌لحاظ تخلخل (>90%)، محتوای ژل (> 86%)، تورم و استحکام مکانیکی دارند. وجود وانیلین سبب افزایش تخلخل و ایجاد تخلخل‌های منظم در هیدروژل کیتوسان شد. همچنین، افزودن پرکننده به هیدروژل‌های کیتوسان-وانیلین مقدار تخلخل و تورم در مخلوط آب و اتانول (%96 اتانول) را کاهش و خواص مکانیکی و تورم در آب را افزایش داد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Chitosan-Vanillin-Montmorillonite Composite Hydrogel: Preparation and Mechanical Properties

نویسنده [English]

  • Hadis Eghbali
Department of Chemical Engineering, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Postal Code 7718897111, Rafsanjan , Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Chitosan is a biodegradable biopolymer used today as an effective and practical material in various industries. To produce chitosan hydrogels, different crosslinkers are utilized, most of which are toxic and, dangerous. Due to the many applications of chitosan in medicine, pharmaceuticals, tissue engineering and food industries, it is better to use safe and non-toxic crosslinkers to produce biopolymers and hydrogels. Vanillin is a natural and non-toxic aldehyde that can be used as a crosslinker to produce chitosan hydrogels. The cross-links that vanillin make with chitosan are, on the one hand, the Schiff base type bond, and on the other hand, the hydrogen bond, which makes the chitosan-vanillin (CV) hydrogel more mechanically weaker than other chitosan-dialdehyde hydrogels. Chitosan-vanillin hydrogels have been studied in micro- and nanoscale and biofilm shape. In this study, montmorillonite (MMT) fillers have been used to fabricate chitosan-vanillin-montmorillonite (CMV) macrohydrogels, and their effect on improving mechanical properties has been investigated.
Methods: In this study, chitosan hydrogels were fabricated with vanillin crosslinker and montmorillonite as fillers. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM) were performed to identify the bonds formed and to examine the morphology of the hydrogels, respectively. Then, the gel content, swelling, porosity, and mechanical properties of hydrogels were investigated.
Finding: The results showed that the presence of vanillin increased the porosity and caused regular porosity in the chitosan hydrogel. Chitosan and vanillin macrohydrogels have good mechanical properties with a porosity greater than 90%, gel content > 86%, swelling, and mechanical strength. The addition of filler to chitosan-vanillin hydrogels also reduces the porosity and swelling and increases the mechanical properties of this system

کلیدواژه‌ها [English]

  • chitosan
  • vanillin
  • crosslinker
  • montmorillonite
  • hydrogel

مراجع

  1. Hamedi H., Moradi S., Hudson S.M., and Tonelli A.E., Chitosan Based Hydrogels and Their Applications for Drug Delivery in Wound Dressings: A Review, Polym., 199, 445-460, 2018.
  2. Hu J., Wang Z., Miszuk J.M., Zhu M., Lansakara T.I., Tivanski A.V., Banas J.A., and Sun H., Vanillin-Bioglass Cross-Linked 3D Porous Chitosan Scaffolds with Strong Osteopromotive and Antibacterial Abilities for Bone Tissue Engineering, Polym., 271, 118440, 2021.
  3. Zou Q., Li J., and Li Y., Preparation and Characterization of Vanillin-Crosslinked Chitosan Therapeutic Bioactive Microcarriers, J. Biolog. Macromol., 79, 736-747, 2015.
  4. Fache M., Boutevin B., and Caillol S., Vanillin, a Key-Iintermediate of Biobased Polymers, Polym., 68, 488-502, 2015.
  5. Hernández-Fernández M.Á., García-Pinilla S., Ocampo-Salinas O.I., Gutiérrez-López G.F., Hernández-Sánchez H., Cornejo-Mazón M., Perea-Flores M.D.J., and Dávila-Ortiz G., Microencapsulation of Vanilla Oleoresin (V. Planifolia Andrews) by Complex Coacervation and Spray Drying: Physicochemical and Microstructural Characterization, Foods, 10, 1375, 2020.
  6. Li P.W., Wang G., Yang Z.M., Duan W., Peng Z., Kong L.X., and Wang Q.H., Development of Drug-Loaded Chitosan–Vanillin Nanoparticles and Its Cytotoxicity Against HT-29 Cells, Drug Deliv., 23, 30-35, 2016
  7. Xu C., Zhan W., Tang X., Mo F., Fu L., and Lin B., Self-Healing Chitosan/Vanillin Hydrogels Based on Schiff-Base Bond/Hydrogen Bond Hybrid Linkages, Test., 66, 155-163, 2018.
  8. Ghorpade V.S., Preparation of Hydrogels Based on Natural Polymers via Chemical Reaction and Cross-Linking, Hydrogels Based on Natural Polymers, Elsevier, 91-118, 2020.
  9. Sadeghi M. and Eghbali H., Investigation of Properties and Applications of Chitosan-Vanillin Hydrogels: A Review, Chem. Eng. J., 2021. DOI: 10.22034/ijche.2021.280638.1101
  10. Kenawy E., Abdel-Hay F., Eldin M.M., Tamer T.M., and Abo-Elghit E.M., Novel Aminated Chitosan-Aromatic Aldehydes Schiff Bases: Synthesis, Characterization and Bio-evaluation, J. Adv. Res., 3, 563-572, 2015.
  11. Pooresmaeil M. and Namazi H., Application of Polysaccharide-Based Hydrogels for Water Treatments, Hydrogels Based on Natural Polymers, 411-455, 2020.
  12. Firouzabadi V.J. and Kokabi M., Triple Stimuli Responsive Poly(vinyl alchol)Chitosan/Nanoclay/Nanosilver Nanocomposit Ehydrogel, Iran J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 39, 3-14, 2019.
  13. Gierszewska M., Jakubowska E., and Olewnik-Kruszkowska E., Effect of Chemical Crosslinking on Properties of Chitosan-Montmorillonite Composites, Test., 77, 105872, 2019.
  14. Gupta S.S. and Bhattacharyya K.G., Adsorption of Heavy Metals on Kaolinite and Montmorillonite: A Review, Chem. Chem. Phys., 14, 6698-723, 2012.
  15. Ambrogi V., Pietrella D., Nocchetti M., Casagrande S., Moretti V., De Marco S., and Ricci M., Montmorillonite–Chitosan–Chlorhexidine Composite Films with Antibiofilm Activity and Improved Cytotoxicity for Wound Dressing, Colloid Interface Sci., 491, 265-272, 2017.
  16. Mousa M., Evans N.D., Oreffo R.O., and Dawson J.I., Clay Nanoparticles for Regenerative Medicine and Biomaterial Design: A Review of Clay Bioactivity, Biomaterials, 159, 204-214, 2018.
  17. Gulzar A., Gai S., Yang P., Li C., Ansari M.B., and Lin J., Stimuli Responsive Drug Delivery Application of Polymer and Silica in Biomedicine, Mater. Chem. B, 44, 8599-8622, 2015.
  18. Youssef K., de Oliveira A.G., Tischer C.A., Hussain I., and Roberto S.R., Synergistic Effect of a Novel Chitosan/Silica Nanocomposites-Based Formulation Against Gray Mold of Table Grapes and Its Possible Mode of Action, J. Biolog. Macromol., 141, 247-258, 2019.
  19. Olad A., Hagh H.B.K., Mirmohseni A., and Azhar F.F., Graphene Oxide and Montmorillonite Enriched Natural Polymeric Scaffold for Bone Tissue Engineering, Int., 12, 15609-15619, 2019.
  20. Sowjanya J.A., Singh J., Mohita T., Sarvanan S., Moorthi A., Srinivasan N., and Selvamurugan N., Biocomposite Scaffolds Containing Chitosan/Alginate/Nano-silica for Bone Tissue Engineering, Colloids Surf. B: Biointerfaces, 109, 294-300, 2013.
  21. Wang S.F., Shen L., Tong Y.J., Chen L., Phang I.Y., Lim P.Q., and Liu T.X., Biopolymer Chitosan/Montmorillonite Nanocomposites: Preparation and Characterization, Degrad. Stab., 90, 123-131, 2005.
  22. Shamekhi M.A., Mirzadeh H., Mahdavi H., Rabiee A., Mohebbi-Kalhori D., and Eslaminejad M.B., Graphene Oxide Containing Chitosan Scaffolds for Cartilage Tissue Engineering, J. Biolog. Macromol., 127, 396-405, 2019.
  23. Ammar N.E.B., Barbouche M., and Hamzaoui A.H., Historical View of Hydrogel Characterization, Hydrogels Based on Natural Polymers, Elsevier, Chapt. 15, 459-479, 2020.
  24. Stroescu M., Stoica-Guzun A., Isopencu G., Jinga S.I., Parvulescu O., Dobre T., and Vasilescu M., Chitosan-Vanillin Composites with Antimicrobial Properties, Food Hydrocoll., 48, 62-71, 2015.
  25. Kabiri K., Mirzadeh H., Zohuriaan-Mehr M.J. and Daliri M., Chitosan-Modified Nanoclay-Poly(AMPS) Nanocomposite Hydrogels with Improved Gel Strength, Int., 11, 1252-1259, 2009.
  26. Prochor P. and Gryko A., Numerical Analysis of the Influence of Porosity and Pore Geometry on Functionality of Scaffolds Designated for Orthopedic Regenerative Medicine, Materials, 14, 109, 2021.
  27. Shamekhi M.A., Rabiee A., Mirzadeh H., Mahdavi H., Mohebbi-Kalhori D., and Eslaminejad M.B., Fabrication and Characterization of Hydrothermal Cross-Linked Chitosan Porous Scaffolds for Cartilage Tissue Engineering Applications, Sci. Eng. C, 80, 532-542, 2017.
مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 34، شماره 6 - شماره پیاپی 176
بهمن و اسفند 1400
صفحه 547-556

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار