هیدروژل‌های طبیعی؛ از ترمیم زخم تا تصفیه آب

پژوهشگران در مطالعه‌ای مروری، تازه‌ترین پیشرفت‌ها درباره هیدروژل‌های طبیعی را بررسی کرده‌اند؛ موادی که از منابع زیستی به دست می‌آیند و به دلیل سازگاری بیشتر با محیط زیست، جایگاه رو به رشدی یافته‌اند.

به گزارش ایسنا، هیدروژل‌ها گروهی از مواد پلیمری هستند که ساختاری شبیه شبکه دارند و می‌توانند مقدار زیادی آب را درون خود نگه دارند. این مواد از یک بخش جامد و یک بخش مایع، که بیشتر آن آب است، تشکیل می‌شوند. به زبان ساده، هیدروژل را می‌توان ماده‌ای نرم و متخلخل دانست که مثل یک اسفنج بسیار ریزساختار عمل می‌کند، اما ویژگی‌های آن بسیار دقیق‌تر و قابل‌کنترل‌تر است. وجود آب فراوان درون این شبکه باعث می‌شود هیدروژل‌ها انعطاف‌پذیر، کشسان و تا حدی شبیه بافت‌های زنده باشند. همین ویژگی‌ها سبب شده است که این مواد در حوزه‌های مختلفی مانند کشاورزی، بهداشت و درمان، پالایش محیط زیست و برخی فرایندهای صنعتی مورد توجه قرار گیرند. همچنین هیدروژل‌ها می‌توانند به تغییرات محیطی مانند دما، میزان اسیدی یا بازی بودن محیط و مقدار نمک‌ها واکنش نشان دهند.

اهمیت پژوهش درباره هیدروژل‌ها زمانی بیشتر روشن می‌شود که بدانیم بسیاری از هیدروژل‌های قدیمی بر پایه پلیمرهای سنتزی ساخته می‌شدند. این پلیمرها، مانند پلی‌اکریلیک‌اسید، پلی‌وینیل‌پیرولیدون، پلی‌وینیل‌الکل و پلی‌اتیلن‌گلیکول، از نظر تولید صنعتی و فرایندپذیری مزیت‌هایی دارند، اما مشکل اصلی آن‌ها در تجزیه‌پذیری و سازگاری زیستی است. باقی ماندن چنین موادی در سامانه‌های زیستی و محیطی می‌تواند مشکلات زیست‌محیطی ایجاد کند. به همین دلیل، توجه پژوهشگران به پلیمرهای طبیعی بیشتر شده است. موادی مانند کلاژن، فیبرین، آگارز، کیتوسان، ژلاتین و آلژینات سدیم می‌توانند پایه ساخت هیدروژل‌هایی باشند که هم با محیط زیست سازگارترند و هم برای کاربرد در سامانه‌های زیستی مناسب‌تر به نظر می‌رسند. حتی منابعی مانند چوب، پنبه، بامبو و ضایعات کشاورزی نیز می‌توانند در تأمین مواد اولیه نقش داشته باشند.

در همین زمینه، بیتا عابدی از گروه شیمی تجزیه و آزمایشگاه جداسازی دانشگاه مازندران به همراه دو همکار هم‌دانشگاهی خود، پژوهشی مروری درباره پیشرفت‌های هیدروژل‌های مبتنی بر پلیمرهای طبیعی انجام داده‌اند. این پژوهش، مسیر ساخت، ویژگی‌ها و کاربردهای این مواد را از مرحله سنتز تا استفاده‌های گوناگون بررسی می‌کند، بی‌آنکه تنها بر یک کاربرد محدود تمرکز داشته باشد.

روش انجام این پژوهش به صورت مروری بوده است. در پژوهش مروری، محققان نتایج و اطلاعات منتشرشده در مطالعات مختلف را بررسی می‌کنند و از کنار هم قرار دادن آن‌ها، جمع‌بندی تازه‌ای ارائه می‌دهند.

یافته‌های این بررسی نشان می‌دهند که پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته، کیتوسان، آلژینات، لیگنین و کاراگینان هرکدام ویژگی‌های ساختاری خاصی دارند. همین تفاوت‌های ساختاری باعث می‌شود رفتار آن‌ها هنگام تشکیل ژل و عملکرد نهایی هیدروژل متفاوت باشد.

در این پژوهش همچنین به نقش عوامل شبکه‌ای‌کننده توجه شده است؛ موادی که باعث اتصال بهتر زنجیره‌های پلیمری می‌شوند و بر استحکام، جذب آب و پایداری هیدروژل اثر می‌گذارند. این ویژگی‌ها تعیین می‌کنند که هر هیدروژل برای چه کاربردی مناسب‌تر باشد.

بر اساس نتایج، هیدروژل‌های طبیعی در زمینه‌هایی مانند مهندسی بافت، رهایش کنترل‌شده دارو، ترمیم زخم و پالایش محیط زیست ظرفیت قابل توجهی دارند. در رهایش کنترل‌شده دارو، ماده دارویی می‌تواند به‌تدریج و در زمان مشخص آزاد شود. در ترمیم زخم نیز شباهت هیدروژل‌ها به محیط مرطوب و نرم بدن می‌تواند اهمیت داشته باشد. نتیجه‌گیری پژوهش نشان می‌دهد سلولز و برخی مشتقات آن، به دلیل زیست‌سازگاری و امکان تنظیم عبورپذیری، برای جداسازی، تصفیه آب و دارورسانی گزینه‌هایی مهم هستند.

یکی از بخش‌های مهم این پژوهش، توجه به غشاهای مبتنی بر سلولز استات است. غشاها لایه‌هایی هستند که می‌توانند برخی مواد را عبور دهند و برخی دیگر را نگه دارند، درست مانند یک صافی بسیار دقیق. با افزایش نیاز جهانی به روش‌های اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای تصفیه فاضلاب، چنین غشاهایی اهمیت بیشتری یافته‌اند. این غشاها می‌توانند در حذف آلاینده‌های آلی و معدنی نقش داشته باشند. با این حال، صنعتی‌سازی آن‌ها ساده نیست. استخراج سلولز از ضایعات کشاورزی به پیش‌تصفیه شیمیایی وابسته است و بازده آن همیشه مطلوب نیست. از این رو، توسعه روش‌های پیش‌تصفیه نوین و مسیرهای سبزتر برای تولید سلولز استات ضروری دانسته شده است.

از سوی دیگر، بهبود پایداری حرارتی، مکانیکی و شیمیایی غشاهای سلولز استات نیز از چالش‌های مهم به شمار می‌رود. روش موسوم به «وارونگی فازی» رایج‌ترین شیوه ساخت این غشاهاست، اما فناوری الکتروریسی نیز در صورت طراحی دقیق برای شرایط صنعتی می‌تواند جایگزینی با عملکرد بالاتر باشد. الکتروریسی روشی برای تولید الیاف بسیار نازک است که می‌تواند ساختارهایی با سطح تماس بالا ایجاد کند. همچنین افزودن نانوذرات معدنی و نانوساختارها می‌تواند استحکام، پایداری حرارتی و حتی توان خودتمیزشوندگی نورکاتالیستی را افزایش دهد، یعنی ماده بتواند با کمک نور، بخشی از آلودگی‌ها را تجزیه کند. البته نگرانی‌هایی مانند شسته‌شدن نانوذرات، اثرات زیست‌محیطی و سمیت سلولی در استفاده بلندمدت همچنان باید بررسی شود.

مجریان این مطالعه در انتها بر سه مسیر اصلی برای آینده تأکید نموده‌اند: بهینه‌سازی فرایندهای سبز تولید، توسعه فناوری‌های پیشرفته ساخت غشا و اطمینان از ایمنی زیست‌محیطی در کاربردهای صنعتی بلندمدت.

گفتنی است این یافته‌های علمی و پژوهشی در «فصلنامه پژوهش و توسعه فناوری پلیمر ایران»، نشریه‌ای وابسته به انجمن علوم و مهندسی پلیمر ایران منتشر شده‌اند.

*