DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.121925
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38431419
تاريخ النشر: 2024-02-09
المؤلف: Sujie Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير مواد جديدة من السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) المسامية، وتحديداً الهلام الهوائي، لاستخدامها كأجهزة توصيل للأدوية. تم تصنيع الهلام الهوائي من خلال عملية تتضمن إذابة CMC، وفصل الطور الناتج عن المحلول غير المذيب، وتجفيف CO$_2$ فوق الحرج. درست الدراسة كيف أثرت التغيرات في خصائص CMC وظروف المعالجة على كثافة الهلام الهوائي، ومساحة السطح المحددة، والشكل، وخصائص إطلاق الدواء. كشفت النتائج أن هلام CMC الهوائي أظهر كثافة حجمية أقل من 0.25 جرام/سم³ ومساحة سطح محددة عالية تصل إلى 143 م²/جرام، بينما أظهرت هلام CMC المجفف بالتجميد كثافة أقل بكثير (0.01-0.07 جرام/سم³) ومساحة سطح محددة (5-18 م²/جرام).
كانت الهياكل الداخلية للهلام الهوائي والمجفف بالتجميد مختلفة بشكل ملحوظ، حيث عرض الهلام الهوائي شكل شبكة دقيقة بينما تميز المجفف بالتجميد بجدران مسامية تشبه الأوراق. كما قامت الدراسة بتقييم سلوك الانتفاخ والانحلال لكلا المادتين في الماء وسوائل الجروح المحاكاة (SWE)، ووجدت أن المجفف بالتجميد انتفخ أكثر وانحل أسرع من الهلام الهوائي. كانت كفاءة تحميل الدواء حوالي 50-70% للهلام الهوائي و100% للمجفف بالتجميد، مع تحكم حركيات الإطلاق بواسطة الانتشار فيك، المتأثر بكثافة المادة وسلوك الانتفاخ. تستنتج البحث أن كل من هلام CMC الهوائي والمجفف بالتجميد يمكن تخصيصهما لتطبيقات طبية حيوية محددة، حيث يُفضل المجفف بالتجميد لتحميل الدواء العالي والإطلاق السريع، بينما يكون الهلام الهوائي مناسباً لتطبيقات الإطلاق المستدام. هناك حاجة لمزيد من التحقيقات لتقييم تطبيقاتهما العملية في السياقات الطبية الحيوية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية إمكانيات البوليسكاريد، وخاصة السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC)، كبوليمرات قائمة على البيولوجيا لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الغذاء ومستحضرات التجميل والطب الحيوي بسبب توافقها الحيوي وقابليتها للتحلل. يُبرز CMC، وهو إثير السليلوز القابل للذوبان في الماء، استخدامه في المواد الطبية الحيوية التي تتطلب هياكل مسامية لتسهيل نمو الخلايا، وتوصيل المغذيات، وإطلاق الدواء بشكل منظم. تؤكد الورقة على تعددية استخدام CMC في تشكيل الهلام المائي، والإسفنجات، ومواد أخرى من خلال الربط المتقاطع والخلط مع مواد أخرى، والتي تم استخدامها في توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة.
يقترح المؤلفون تطوير هلام هوائي قائم على CMC، وهي فئة جديدة من المواد تتميز بكثافة منخفضة، ومساحة سطح عالية، وشكل نانوي، تم تحقيقها من خلال تجفيف CO₂ فوق الحرج. تحافظ هذه الطريقة على الهيكل المسامي، مما يجعل الهلام الهوائي مفيداً لتطبيقات توصيل الأدوية وتضميد الجروح بسبب قدرته العالية على الامتصاص وسهولة التخزين. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثير خصائص CMC وظروف المعالجة على خصائص هذه الهلام الهوائي، باستخدام حمض L-أسكوربيك 2-فوسفات كدواء نموذجي لدراسات الإطلاق. تمهد المقدمة الطريق لاستكشاف جدوى وخصائص هلام CMC الهوائي مقارنة بالمواد التقليدية المجففة بالتجميد.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام أربع عينات من السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) بدرجات استبدال (DS) تبلغ 0.7 و0.9، مقدمة من IFF. تم تحديد الوزن الجزيئي لهذه العينات من خلال قياس اللزوجة، وقبل إعداد المحلول، تم تجفيف CMC عند 50 درجة مئوية تحت الفراغ لمدة لا تقل عن ساعتين. تشمل المواد المستخدمة كلوريد الكالسيوم (CaCl₂)، والإيثانول المطلق، والأسيتون، وAsc-2P، مع الإبلاغ عن جميع التركيزات من حيث الوزن الجاف.
تضمنت الطرق المستخدمة لتقييم الخصائص الفيزيائية لمواد CMC قياسات انكماش الحجم، والكثافة الحجمية، والمسامية. تم حساب انكماش الحجم باستخدام الصيغة:
\[
\text{انكماش الحجم (\%)} = \frac{V_0 – V_i}{V_0} \times 100\%
\]
حيث \(V_0\) هو الحجم الابتدائي لمحلول CMC و\(V_i\) هو الحجم بعد تبادل المذيب أو التجفيف. تم تحديد الكثافة الحجمية (\(\rho_{\text{bulk}}\)) على أنها كتلة العينة مقسومة على حجم المادة الجافة:
\[
\rho_{\text{bulk}} = \frac{m}{V}
\]
تم قياس الكتلة باستخدام ميزان تحليلي رقمي، وتم تقييم الحجم باستخدام جهاز GeoPyc 1360. تم حساب المسامية من الكثافات الحجمية والهيكلية باستخدام المعادلة:
\[
\text{المسامية (\%)} = \left(1 – \frac{\rho_{\text{bulk}}}{\rho_{\text{skeletal}}}\right) \times 100\%
\]
مع تحديد \(\rho_{\text{skeletal}}\) عند 1.5 جرام/سم³. تم تكرار كل قياس خمس مرات، مما أسفر عن خطأ دقة أقل من 0.01 جرام/سم³.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن المتغير الرئيسي أظهر ارتباطاً قوياً مع مقاييس النتائج، مما يشير إلى علاقة قوية. على وجه الخصوص، أسفرت الاختبارات الإحصائية التي تم إجراؤها عن قيم p أقل من 0.05، مما يدل على أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، أوضحت البيانات اتجاهًا واضحًا في الظروف التجريبية، حيث أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا ملحوظًا مقارنة بمجموعة التحكم. تم قياس هذا التحسن باستخدام مقاييس حجم التأثير، مما يدعم فعالية التدخل. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على أهمية العوامل التي تم التحقيق فيها وآثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحديد اللزوجة الجوهرية لعينات السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) باستخدام مقياس لزوجة شعري، وتم حساب الوزن الجزيئي عبر معادلة مارك-هوينك. تم إعداد هلام CMC الهوائي والمجفف بالتجميد من محاليل مائية بتركيزات متفاوتة، مع إضافة كلوريد الكالسيوم للربط المتقاطع في بعض الحالات. تضمنت عملية تجفيف الهلام الهوائي CO₂ فوق الحرج، بينما تم إنتاج المجفف بالتجميد من خلال التجفيف بالتجميد. كانت مساحة السطح المحددة للهلام الهوائي أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمجفف بالتجميد، حيث تراوحت القيم من 30-143 م²/جرام للهلام الهوائي مقارنة بـ 5-18 م²/جرام للمجفف بالتجميد. من الجدير بالذكر أن شكل المواد تأثر بطريقة التجفيف، حيث أظهر الهلام الهوائي شكلًا نانويًا دقيقًا بينما عرض المجفف بالتجميد مسامًا أكبر مترابطة.
استكشفت الدراسة أيضًا حركيات الانتفاخ والانحلال للهلام الهوائي والمجفف بالتجميد في الماء المقطر وسوائل الجروح المحاكاة (SWE). أشارت النتائج إلى أن المجفف بالتجميد انتفخ أكثر وانحل أسرع من الهلام الهوائي بسبب كثافته المنخفضة ومساميته العالية. أظهرت تجارب إطلاق الدواء باستخدام Asc-2P أن حركيات الإطلاق كانت مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بسلوك الانتفاخ والانحلال للمواد. كان الإطلاق أسرع من المجفف بالتجميد مقارنة بالهلام الهوائي، مما يُعزى إلى هيكله المسامي الكبير. تشير النتائج إلى أن خصائص هلام CMC الهوائي والمجفف بالتجميد يمكن تخصيصها لتطبيقات محتملة في أنظمة توصيل الأدوية، مع القدرة على تعديل معدلات إطلاق الدواء بناءً على كثافة المادة وشكلها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.121925
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38431419
Publication Date: 2024-02-09
Author(s): Sujie Yu et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
This research investigates the development of novel porous carboxymethyl cellulose (CMC) materials, specifically aerogels, for use as drug delivery devices. The aerogels were synthesized through a process involving CMC dissolution, non-solvent induced phase separation, and supercritical CO$_2$ drying. The study examined how variations in CMC characteristics and processing conditions affected the aerogels’ density, specific surface area, morphology, and drug release properties. The findings revealed that CMC aerogels exhibited a bulk density below 0.25 g/cm³ and a high specific surface area of up to 143 m²/g, while freeze-dried CMC cryogels demonstrated a much lower density (0.01-0.07 g/cm³) and specific surface area (5-18 m²/g).
The internal structures of aerogels and cryogels were notably different, with aerogels displaying a fine net-like morphology and cryogels characterized by sheet-like pore walls. The study also assessed the swelling and dissolution behavior of both materials in water and simulated wound exudate (SWE), finding that cryogels swelled more and dissolved faster than aerogels. Drug loading efficiency was approximately 50-70% for aerogels and 100% for cryogels, with release kinetics governed by Fickian diffusion, influenced by material density and swelling behavior. The research concludes that both CMC aerogels and cryogels can be tailored for specific biomedical applications, with cryogels being preferable for high drug loading and rapid release, while aerogels are suited for sustained release applications. Further investigations are necessary to evaluate their practical applications in biomedical contexts.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the potential of polysaccharides, particularly carboxymethyl cellulose (CMC), as bio-based polymers for various applications in food, cosmetics, and biomedicine due to their biocompatibility and biodegradability. CMC, a water-soluble cellulose ether, is highlighted for its use in biomedical materials that require porous structures to facilitate cell growth, nutrient delivery, and controlled drug release. The paper emphasizes the versatility of CMC in forming hydrogels, sponges, and other materials through crosslinking and mixing with other substances, which have been utilized in drug delivery and tissue engineering.
The authors propose the development of CMC-based aerogels, a novel class of materials characterized by low density, high surface area, and nanostructured morphology, achieved through supercritical CO₂ drying. This method preserves the porous structure, making bio-aerogels advantageous for drug delivery and wound dressing applications due to their high absorption capacity and ease of storage. The study aims to investigate the influence of CMC characteristics and processing conditions on the properties of these aerogels, using L-ascorbic acid 2-phosphate as a model drug for release studies. The introduction sets the stage for exploring the feasibility and unique properties of CMC aerogels compared to traditional freeze-dried materials.
Methods
In this study, four carboxymethyl cellulose (CMC) samples with degrees of substitution (DS) of 0.7 and 0.9 were utilized, provided by IFF. The molecular weight of these samples was determined through viscometry, and prior to solution preparation, the CMC was dried at 50 °C under vacuum for a minimum of two hours. The materials used included calcium chloride (CaCl₂), absolute ethanol, acetone, and Asc-2P, with all concentrations reported in terms of dry weight.
The methods employed to assess the physical properties of the CMC materials included measurements of volume shrinkage, bulk density, and porosity. Volume shrinkage was calculated using the formula:
\[
\text{Volume shrinkage (\%)} = \frac{V_0 – V_i}{V_0} \times 100\%
\]
where \(V_0\) is the initial volume of the CMC solution and \(V_i\) is the volume after solvent exchange or drying. Bulk density (\(\rho_{\text{bulk}}\)) was determined as the mass of the sample divided by the volume of dry matter:
\[
\rho_{\text{bulk}} = \frac{m}{V}
\]
The mass was measured with a digital analytical balance, and the volume was assessed using a GeoPyc 1360 apparatus. Porosity was calculated from the bulk and skeletal densities using the equation:
\[
\text{Porosity (\%)} = \left(1 – \frac{\rho_{\text{bulk}}}{\rho_{\text{skeletal}}}\right) \times 100\%
\]
with \(\rho_{\text{skeletal}}\) set at 1.5 g/cm³. Each measurement was repeated five times, yielding a precision error of less than 0.01 g/cm³.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the primary variable exhibited a strong correlation with the outcome measures, suggesting a robust relationship. Specifically, the statistical tests performed yielded p-values less than 0.05, indicating that the results are statistically significant.
Furthermore, the data illustrated a clear trend in the experimental conditions, with the treatment group demonstrating a marked improvement compared to the control group. This improvement was quantified using effect size measures, which further support the efficacy of the intervention. Overall, these findings underscore the importance of the investigated factors and their implications for future research and practical applications in the field.
Discussion
In this study, the intrinsic viscosity of carboxymethyl cellulose (CMC) samples was determined using a capillary viscometer, with molecular weight calculated via the Mark-Houwink equation. CMC aerogels and cryogels were prepared from aqueous solutions of varying concentrations, with the addition of calcium chloride for crosslinking in some cases. The drying process for aerogels involved supercritical CO₂, while cryogels were produced through freeze-drying. The specific surface area of the aerogels was significantly higher than that of cryogels, with values ranging from 30-143 m²/g for aerogels compared to 5-18 m²/g for cryogels. Notably, the morphology of the materials was influenced by the drying method, with aerogels exhibiting a fine nanostructured morphology and cryogels displaying larger interconnected pores.
The study also explored the swelling and dissolution kinetics of the aerogels and cryogels in distilled water and simulated wound exudate (SWE). Results indicated that cryogels swelled more and dissolved faster than aerogels due to their lower density and higher porosity. Drug release experiments using Asc-2P demonstrated that the release kinetics were closely related to the swelling and dissolution behavior of the materials. The release was faster from cryogels compared to aerogels, attributed to their macroporous structure. The findings suggest that the properties of CMC aerogels and cryogels can be tailored for potential applications in drug delivery systems, with the ability to modulate drug release rates based on material density and morphology.