DOI: https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100799
تاريخ النشر: 2024-04-30
المؤلف: Fengwei Xie وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق البوليمرات القابلة للتحلل وخصائصها
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على الإمكانيات الكبيرة للجيلاتين، وهو بوليمر مشتق من الطحالب، لمجموعة متنوعة من التطبيقات بسبب قابليته للتجديد، والتوافق الحيوي، وقابلية التحلل البيولوجي. تركز على منهجيات معالجة المواد الضخمة المعتمدة على الجيلاتين، مع التأكيد على استراتيجيات مثل الربط الأيوني، والتلدين، والهجين مع بوليمرات ومواد مالئة أخرى لتعزيز خصائص المواد. تناقش المراجعة الخلطات الملحوظة مع البوليمرات الطبيعية والمشتقة من الوقود الأحفوري، بالإضافة إلى المركبات التي تتضمن نانو مواد مالئة مثل جزيئات السليلوز والغرافيت. يتم فحص تقنيات المعالجة المختلفة، بما في ذلك صب المحلول، والطباعة ثلاثية الأبعاد، والمعالجة الحرارية الميكانيكية، جنبًا إلى جنب مع علاقات الهيكل-العملية-الخاصية التي تؤثر على أداء هذه الأنظمة متعددة الأطوار.
في الختام، بينما تظهر الأنظمة متعددة الأطوار المعتمدة على الجيلاتين خصائص واعدة للتطبيقات في تعبئة الطعام، وشفاء الجروح، وفصل الأغشية، فإنها تواجه أيضًا تحديات مثل ضعف الخصائص الميكانيكية والقدرة المحدودة على المعالجة. تم تحديد الربط الأيوني التقليدي كطريقة شائعة لتحسين مقاومة الماء والقوة الميكانيكية. تؤكد المراجعة على فعالية الأنظمة متعددة الأطوار، بما في ذلك الخلطات والمركبات، في تحقيق تأثيرات تآزرية تعزز الخصائص العامة لمواد الجيلاتين. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لمعالجة الفجوات المعرفية الحالية واستغلال إمكانيات المواد المعتمدة على الجيلاتين عبر مجالات متنوعة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية السكريات المتعددة، وخاصة الجيلاتين، الذي يتم استخراجه من الطحالب وقد تم استخدامه منذ استخراجه في عام 1881 عبر قطاعات متنوعة، بما في ذلك الغذاء، والأدوية، والتعبئة المستدامة. تجعل الخصائص الفريدة للجيلاتين، مثل طبيعته المحبة للماء وقدرته على تشكيل الهلام، مادة متعددة الاستخدامات. مؤخرًا، أدى اعترافه كمصدر “كربون أزرق” وقابليته الكاملة للتحلل إلى زيادة الاهتمام بالمنتجات المعتمدة على الجيلاتين، مما أدى إلى ظهور شركات ناشئة تركز على حلول التعبئة المبتكرة المشتقة من الطحالب.
على الرغم من استخدامه الواسع، فإن تطبيق الجيلاتين في الأشكال الصلبة للتعبئة يعيقه قيوده الميكانيكية وقابليته للماء. للتغلب على هذه التحديات، يتم اقتراح استراتيجيات مثل التحوير الكيميائي وتطوير الأنظمة متعددة الأطوار، بما في ذلك الخلطات والمركبات (النانوية)، كبدائل فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. بينما تغطي المراجعات الحالية جوانب مختلفة من الجيلاتين، هناك فجوة ملحوظة في الأدبيات التي تتناول تصميم ومعالجة المواد متعددة الأطوار المعتمدة على الجيلاتين المخصصة لتطبيقات متنوعة. تهدف هذه المراجعة إلى سد هذه الفجوة من خلال استكشاف التقدم في الأنظمة المعتمدة على الجيلاتين، مع التركيز على تقنيات المعالجة والتحسينات في خصائص المواد، مما يعزز استخدامها في التطبيقات المستدامة بيئيًا.
الطرق
تتناول قسم الطرق تقنيات التصنيع للمواد الضخمة المعتمدة على الجيلاتين، مثل الأفلام، والطلاءات، والأنابيب، والألياف، مع تسليط الضوء على كل من الأساليب التقليدية والمبتكرة. بشكل ملحوظ، تستبعد المناقشة الجزيئات المعتمدة على الجيلاتين والميكروemulsions، وتركز بدلاً من ذلك على التطبيقات الأوسع للجيلاتين في الأشكال الضخمة.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم العوامل المختلفة التي تؤثر على خصائص هذه المواد. تشمل المحددات الرئيسية مصدر وتركيب الجيلاتين الكيميائي، ووزنه الجزيئي، ونوع وتركيز المواد الملدنة، ومعلمات المعالجة المحددة. تؤثر هذه العوامل مجتمعة على أداء وخصائص المواد المعتمدة على الجيلاتين، مع تقديم ملخص لتأثيراتها في الجدول 2 وتفصيلها في النص.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة شاملة على الجيلاتين، وهو سكر متعدد مشتق بشكل رئيسي من الطحالب البنية، وتطبيقاته المختلفة وطرق استخراجه. يوجد الجيلاتين بشكل رئيسي كأملاح الكالسيوم والمغنيسيوم والصوديوم لحمض الجاليك، مما يشكل ما يصل إلى 40% من المادة الجافة في الطحالب البنية. تتضمن عملية الاستخراج علاجات ميكانيكية، وتحمض، واستخراج قلوي، مما يؤدي إلى إنتاج أشكال مختلفة من الجيلاتين، بما في ذلك الجيلاتين الصوديوم والكالسيوم. كما يتم تسليط الضوء على تقنيات الاستخراج الجديدة، مثل الموجات فوق الصوتية والأساليب المعتمدة على الإنزيمات، جنبًا إلى جنب مع إمكانية إنتاج الجيلاتين البكتيري، الذي لا يزال غير تجاري.
تتميز الخصائص الفيزيائية الكيميائية للجيلاتين بهيكله البوليمري الخطي، الذي يتكون من وحدات β-D-mannuronate وα-L-guluronate. تؤثر توزيع هذه الوحدات على صلابة ومرونة المادة، مع آثار على لزوجتها وقابليتها للذوبان في الماء. يظهر الجيلاتين خصائص غروانية فريدة، مما يجعله ذا قيمة في الغذاء، والتطبيقات الطبية الحيوية، والتعبئة. تعتبر عملية تجلط الجيلاتين، بشكل رئيسي من خلال تفاعلات الأيونات الثنائية، حاسمة لوظيفته. يتم مناقشة طرق مختلفة لتشكيل الأفلام، بما في ذلك صب المحلول وتقنيات الربط، مع التأكيد على أهمية التحكم في التجلط لتعزيز الخصائص الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم تقنيات مبتكرة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد وتجميع الانتشار الاتجاهي، مما يظهر تعددية استخدامات الجيلاتين في إنشاء هياكل معقدة بخصائص ميكانيكية وحرارية مرغوبة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100799
Publication Date: 2024-04-30
Author(s): Fengwei Xie et al.
Primary Topic: biodegradable polymer synthesis and properties
Overview
The review highlights the significant potential of alginate, a seaweed-derived polymer, for various applications due to its renewability, biocompatibility, and biodegradability. It focuses on the processing methodologies of alginate-based bulk materials, emphasizing strategies such as ionic crosslinking, plasticization, and hybridization with other polymers and fillers to enhance material properties. The review discusses notable blends with natural and fossil-based polymers, as well as composites incorporating nanofillers like cellulose nanoparticles and graphene. Various processing techniques, including solution casting, 3D printing, and thermomechanical processing, are examined, alongside the structure-process-property relationships that influence the performance of these multiphase systems.
In conclusion, while alginate-based multiphase systems exhibit promising qualities for applications in food packaging, wound healing, and membrane separation, they also face challenges such as weak mechanical properties and limited processability. Conventional ionic crosslinking is identified as a prevalent method to improve water resistance and mechanical strength. The review underscores the effectiveness of multiphase systems, including blends and composites, in achieving synergistic effects that enhance the overall properties of alginate materials. Future research directions are suggested to address existing knowledge gaps and further exploit the potential of alginate-based materials across diverse fields.
Introduction
The introduction highlights the significance of polysaccharides, particularly alginate, which is derived from seaweed and has been utilized since its extraction in 1881 across various sectors, including food, pharmaceuticals, and sustainable packaging. Alginate’s unique properties, such as its hydrophilic nature and gel-forming capabilities, make it a versatile material. Recently, its recognition as a “blue carbon” source and its complete compostability have spurred interest in alginate-based products, leading to the emergence of startups focused on innovative seaweed-derived packaging solutions.
Despite its widespread use, the application of alginates in solid forms for packaging is hindered by their mechanical limitations and water susceptibility. To overcome these challenges, strategies such as chemical derivatization and the development of multiphase systems, including blends and (nano)composites, are proposed as cost-effective and environmentally friendly alternatives. While existing reviews cover various aspects of alginate, there is a notable gap in literature addressing the design and processing of alginate-based multiphase materials tailored for diverse applications. This review aims to fill this gap by exploring advancements in alginate-based systems, focusing on processing techniques and improvements in material properties, ultimately promoting their use in environmentally sustainable applications.
Methods
The section on methods details the fabrication techniques for alginate-based bulk materials, such as films, coatings, tubes, and fibers, highlighting both traditional and innovative approaches. Notably, the discussion excludes alginate-based particles and microemulsions, focusing instead on the broader applications of alginate in bulk forms.
Additionally, the section addresses the various factors that influence the properties of these materials. Key determinants include the source and chemical composition of alginate, its molar mass, the type and concentration of plasticizers, and specific processing parameters. These factors collectively impact the performance and characteristics of alginate-based materials, with a summary of their effects presented in Table 2 and further elaborated upon in the text.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of alginate, a polysaccharide predominantly sourced from brown algae, and its various applications and extraction methods. Alginate exists mainly as calcium, magnesium, and sodium salts of alginic acid, constituting up to 40% of the dry matter in brown algae. The extraction process involves mechanical treatments, acidification, and alkaline extraction, leading to the production of various alginate forms, including sodium and calcium alginate. Novel extraction techniques, such as ultrasound and enzyme-assisted methods, are also highlighted, alongside the potential for bacterial alginate production, which remains non-commercial.
The physicochemical properties of alginate are characterized by its linear block polymer structure, comprising β-D-mannuronate and α-L-guluronate units. The distribution of these units affects the material’s rigidity and flexibility, with implications for its viscosity and solubility in water. Alginate exhibits unique colloidal properties, making it valuable in food, biomedical applications, and packaging. The gelation of alginate, primarily through divalent ion interactions, is crucial for its functionality. Various methods for film formation, including solution casting and crosslinking techniques, are discussed, emphasizing the importance of controlled gelation to enhance mechanical properties. Additionally, innovative techniques such as 3D printing and directional diffusion assembly are introduced, showcasing alginate’s versatility in creating complex structures with desirable mechanical and thermal properties.