نوع و مقدار نانومواد و تشکیل شبکه هیدروژلی تأثیر قابلتوجهی بر بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی هیدروژلها دارند. لازم به ذکر است که این پارامترها به کاربرد هیدروژلهای نانوکامپوزیتی وابسته هستند. بنابراین، جهتگیری طیف نانومواد، ویژگیهای محصول، به همراه اطلاعات کافی در مورد کاربرد این مواد، باید مورد توجه قرار گیرند تا مادهای موفق حاصل شود.
مطالعه هیدروژلهای نانوکامپوزیتی در زمینههای علمی مختلف طی سالهای اخیر بهطور قابلتوجهی رشد کرده است.
نانو مواد:
نانومواد بر اساس اندازه، نسبت طول به قطر، و نسبت قطر به ضخامت به مواد صفر بعدی (0DM)، مواد یک بعدی (1DM)، و مواد دو بعدی (2DM) تقسیم میشوند. نانومواد به دلیل اندازه نانومتری، ساختارهای متنوع، ویژگیهای مکانیکی برجسته، رسانایی الکتریکی و حرارتی خاص، واکنشپذیری به نور، و سازگاری با محیط زیست، پتانسیلهای کاربردی گستردهای در زمینههای مختلف دارند.
نانومواد با بهرهگیری از ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی متمایز خود، بهخوبی پتانسیل کاربردی گستردهای را در زیست پزشکی(biomedicene) نشان دادهاند. برای مثال، نانوذرات طلا (Au NPs) دارای فعالیت کاتالیتیکی خوب، عملکرد تبدیل فوتوترمال، قابلیت تصویربرداری زیستی، و رسانایی الکتریکی هستند. با این حال، این مواد دارای محدودیتهایی هستند که اثر و کاربرد عملی آنها را محدود میکند (مانند آزادسازی انفجاری، حذف سریع، چسبندگی زیستی ضعیف، و تغییر شکل غیرقابل بازگشت).
در زمینه زیست پزشکی(biomedicene)، برخی از نانومواد به دلیل زیستسازگاری خوب و ویژگیهای مکانیکی، حرارتی، الکتریکی، و نوری عالی، توجه محققان را به خود جلب کردهاند. نانومواد میتوانند توسط سیستم فاگوسیتی تکهستهای (MPS) از بدن پاک شوند. با این حال، نانومواد دارای برخی از نقاط ضعف برجسته هستند، از جمله آزادسازی انفجاری، حذف سریع، چسبندگی زیستی ضعیف، و تغییر شکل غیرقابل بازگشت. به دلیل اندازه کوچک، نانومواد ممکن است در ابتدا آزادسازی انفجاری داشته باشند (که در یک بازه کوتاه به اوج آزادسازی میرسند).غلظت بالای مواد در طی آزادسازی انفجاری ممکن است باعث سمیت شود و پس از آن غلظت به سرعت کاهش یابد، که منجر به اثر درمانی محدود میشود.
ترکیب این مواد با سایر مواد ضروری است، زیرا نه تنها میتواند نقاط ضعف آن را بهبود بخشد بلکه کاربردهای زیست پزشکی (biomedicine) نانومواد را در خارج از بدن گسترش میدهد.
کامپوزیت ها:
کامپوزیت یک ماده ساختاری با ترکیبی از دو یا چند جزء در مقیاس ماکروسکوپی است در حالی که خواص خود را حفظ می کنند. با این حال، طراحی کامپوزیت مناسب ممکن است ویژگیهای خاص متفاوتی از اجزای جداگانه ارائه دهد.
دسته های مختلفی از کامپوزیت ها را می توان با استفاده از مفاهیم مختلف برای اصلاح و بهبود خواص و عملکرد طراحی کرد. کامپوزیت های تقویت شده را می توان به ذرات (پودر)، الیاف و نانوکامپوزیت طبقه بندی کرد.
نانو کامپوزیت ها:
را شامل می شوند. هیدروژل های نانوکامپوزیت (NCHها) ترکیبی از شبکههای پلیمری آبدوست هستند که پیوندهای شیمیایی جامد کووالانسی یا پیوندهای متقاطع فیزیکی با نانوذرات را به هم متصل کردهاند تا ساختارهای پیچیده در مقیاس نانو را تشکیل دهند. شبکه های هیدروژل نانوکامپوزیتی را می توان از طیف وسیعی از هیدروژل های طبیعی (آلی) و سنتز شده ساخت.
بهعنوان یک رویکرد امیدوارکننده، دانشمندان نانومواد را از طریق تعاملات فیزیکی یا شیمیایی کووالانسی در شبکه سهبعدی هیدروژلها ادغام میکنند تا سیستمهای مواد کامپوزیتی ایجاد کنند که بتوانند به طور مؤثری این محدودیتها را برطرف کنند. در سیستمهای کامپوزیتی، هیدروژلها میتوانند اثر نگهداری نانومواد را بهبود بخشند و به این سیستمهای کامپوزیتی پلاستیسیته کافی برای تطابق با کاربردهای مختلف زیستپزشکی بدهند.
ساختار نانوکامپوزیت در هیدروژل ها منجر به استحکام ساختاری بالاتر ، استحکام شفافیت کششی، انرژی شکست ، استحکام فشاری، مدول الاستیسیته، نرخ تورم و رهاسازی، هدایت حرارتی، ظرفیت حرارتی و مقاومت پیچشی می شود.
نانومواد مختلفی شامل نانومواد مبتنی بر کربن، نانوذرات پلیمری، نانوذرات فلزی/فلز اکسیدی، و نانوذرات معدنی برای توسعه هیدروژلهای نانوکامپوزیتی (NCHs) استفاده میشوند.
هیدروژل های نانوکامپوزیت:
به طور کلی، طیف گستردهای از زنجیرههای پلیمری طبیعی/سنتتیک ، برای دستیابی به یک شبکه نانوکامپوزیت ترکیب می شوند. برای به دست آوردن NCHs، انواع نانوذرات آلی یا معدنی معروف به نانوپرکنندهها در ماتریس هیدروژل مخلوط میشوند و این منجر به افزایش بسیار زیاد خواص داخلی و خارجی ماتریس هیدروژل معمولی میشود. علاوه بر این، نانوذرات می توانند به عنوان یک اتصال دهنده متقابل عمل کنند که قادر به تعامل با مولکول های آغازگر و شروع پلیمریزاسیون رادیکال آزاد در محل است. در این مورد، نانوذرات پراکنده در ماتریس هیدروژل، اتصالدهندههای متقاطع چند منظوره برگشتپذیر را برای تقویت و استحکام هیدروژل تشکیل میدهند.
در سیستمهای هیدروژل نانوکامپوزیتی، نانومواد چند منظوره اغلب به عنوان هسته عملکردی عمل میکنند و به هیدروژلها ویژگیهای مختلفی میدهند (مانند تبدیل نور گرمایی، تبدیل مغناطیسی گرمایی، هدایت، تومور هدفگیری و غیره). در حالی که، هیدروژلها میتوانند به طور موثری اثر ماندگاری نانومواد را بهبود بخشند و باعث شوند که نانوذرات دارای انعطافپذیری خوبی برای سازگاری با کاربردهای مختلف زیستپزشکی (مانند حسگرهای زیستی مختلف) باشند. همچنین سیستمهای هیدروژل نانوکامپوزیتی چشماندازهای کاربردی گستردهای در زیست پزشکی دارند.
با توجه به نیازهای کاربردی، سیستمهای هیدروژل کامپوزیت نانوموادی خاص میتوانند طراحی و در زمینههای مختلف زیستپزشکی اعمال شوند (برای مثال، هیدروژلهای کامپوزیت نانوموادی برای تهیه پچهای میکرونیدل [MN] انسولین).همچنین میتوانند اثر نگهداری نانومواد را بهطور مؤثری بهبود بخشند و به نانوذرات انعطافپذیری لازم برای انطباق با کاربردهای مختلف زیستپزشکی، مانند انواع حسگرهای زیستی، بدهند.
کاربرد های هیدروژل های نانوکامپوزیت:
هیدروژلهای نانوکامپوزیتی مبتنی بر نانومواد کربنی عمدتاً برای تقویت رسانایی الکتریکی و بهبود خواص مکانیکی و نوری استفاده میشوند.
هیدروژلهای نانوکامپوزیتی حاصل از نانوذرات پلیمری که به دما، نور، غلظت یا pH واکنش نشان میدهند، بهعنوان حاملهای دارویی مناسب و بهویژه در کاربردهای دارورسانی کنترلشده به کار میروند.
به دلیل خواص ضد میکروبی، مغناطیسی و رسانایی الکتریکی نانوکامپوزیتهای فلزی/فلز اکسیدی، این مواد در طیف وسیعی از فناوریهای تصویربرداری پزشکی، سیستمهای دارورسانی، و فناوریهای حسگر و عملگر کاربرد دارند.
بر اساس فنوتیپ ماکروسکوپی سیستمهای کامپوزیتی، نانومواد و هیدروژلها عمدتاً در چهار سیستم کامپوزیتی ترکیب میشوند:
- میکرونیدلهای هیدروژل نانوکامپوزیتی (MNs)
- هیدروژلهای نانوکامپوزیتی تزریقی
- هیدروژلهای نانوکامپوزیتی خودترمیمشونده
- هیدروژلهای نانوکامپوزیتی زیستتصویربرداری
هیدروژلهای نانوکامپوزیتی دارای نانوذرات معدنی به دلیل استحکام مکانیکی برتر و ساختارهای مطلوب توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. این ویژگیها باعث میشود تا کاربرد گستردهای در مهندسی بافت داشته باشند. علاوه بر این، کنترل فرآیند همزمان آنها را به گزینهای مناسب برای کاربردهای افزایش بازیافت نفت (EOR) در شرایط پیچیده تبدیل کرده است.
Refrences:
1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542504823000453
2. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9471997/