DOI: https://doi.org/10.55730/1300-0527.3775
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41798082
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Banu Kocaağa وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث تأثير المواد البلاستيكية المختلفة على الخصائص الهيكلية وملفات إطلاق الدواء من الهلاميات الهيدروجيلية المعتمدة على البكتين منخفض الميثوكسي (LM-pectin). تسلط الدراسة الضوء على أن نوع ووزن الجزيء (MW) للمواد البلاستيكية، وخاصة زيت الخروع (CO) وبوليمر بولي فينيل بيروليدون (PVP) وبولي إيثيلين جلايكول (PEG) بأوزان جزيئية تتراوح من 400 إلى 1500، تؤثر بشكل كبير على بنية الشبكة وحركيات إطلاق الدواء. من بين التركيبات المختبرة، أظهرت هلاميات P-CO أعلى إطلاق تراكمي للدواء بسبب زيادة مرونة المصفوفة الناتجة عن تعطيل تعبئة سلسلة البكتين بواسطة مجالات الدهون الثلاثية الكارهة للماء. في المقابل، أظهرت هلاميات PVP ملف إطلاق محكوم بسبب زيادة البلورية وصلابة الشبكة، بينما عرضت الأنظمة المعدلة بـ PEG ديناميكيات إطلاق تعتمد على الوزن الجزيئي.
تشير النتائج إلى أن PEG400 أدى إلى إطلاق محدود للدواء بسبب تقليل الانتفاخ، بينما قيد PEG1500 الانتشار من خلال تعزيز التفاعلات الثانوية. أظهر PEG1000 نمط إطلاق متوسط، موازنًا بين البلورية والترطيب لتسهيل نظام نقل مختلط من الانتشار والاسترخاء. تختتم الدراسة بأن تعديل نسبة الانتفاخ وكثافة الشبكة والبلورية بواسطة المواد البلاستيكية أمر حاسم للتحكم في نقل الدواء في هلاميات البكتين. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تقييم الاستقرار على المدى الطويل، واستكشاف تركيبات المواد البلاستيكية المتآزرة، وتنفيذ استراتيجيات تفعيل السطح لتعزيز قابلية تطبيق هلاميات LM-pectin في أنظمة توصيل الدواء المحكومة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الاهتمام المتزايد بالهلاميات الهيدروجيلية في المجالات الصيدلانية والبيولوجية بسبب قدرتها على احتواء والتحكم في إطلاق العوامل العلاجية. تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على سلوك الإطلاق للهلاميات التركيب البوليمري، وكثافة الربط المتقاطع، والتمدد، واستخدام المواد البلاستيكية. يتم التأكيد على البكتين منخفض الميثوكسي (LM-pectin) بسبب توافقه الحيوي وقدرته على تشكيل شبكات ثلاثية الأبعاد مستقرة من خلال الربط الأيوني مع الكاتيونات ثنائية التكافؤ مثل Ca²⁺، مما يؤدي إلى هيكل “صندوق البيض” الذي يعزز الاستقرار الميكانيكي. ومع ذلك، غالبًا ما تظهر هلاميات LM-pectin هشاشة بسبب التفاعلات القوية بين البوليمرات، مما يتطلب استراتيجيات لتحسين متانتها الميكانيكية لتطبيقات في شفاء الجروح وتوصيل الدواء المحكوم.
لمعالجة الهشاشة، يتم اقتراح دمج المواد البلاستيكية كنهج قابل للتطبيق. تقوم المواد البلاستيكية بتعطيل التفاعلات بين البوليمرات، مما يعزز حركة السلاسل ومرونتها، وهو أمر حاسم لتحسين الخصائص الميكانيكية وملفات إطلاق الدواء. تفحص الدراسة بشكل خاص تأثيرات أربعة مواد بلاستيكية – زيت الخروع (CO)، وبولي إيثيلين جلايكول (PEG) بأوزان جزيئية متغيرة، وبوليمر بولي فينيل بيروليدون (PVP) – على الخصائص الفيزيائية والكيميائية وسلوك إطلاق الدواء من هلاميات LM-pectin. يتم استخدام الثيوفيلين كدواء نموذجي لتقييم حركيات الإطلاق، بهدف توضيح العلاقة بين خصائص المواد البلاستيكية وأداء الهلام، وبالتالي إبلاغ تصميم أنظمة معتمدة على LM-pectin لتطبيقات بيولوجية متقدمة.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على بكتين LM-amide من Herbstreith & Fox KG (ألمانيا)، بينما تم الحصول على Tris (2-amino-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol) وكلوريد الكالسيوم ثنائي الهيدرات (CaCl₂•2H₂O) والثيوفيلين من Sigma-Aldrich (دوسلدورف، ألمانيا). كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة في التجارب من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون تنقية إضافية. تم استخدام الماء المزدوج المنزوع الأيونات كمذيب طوال إجراءات التجربة.
نتائج
في هذه الدراسة، طور المؤلفون أفلام هلامية محملة بالثيوفيلين باستخدام خمسة مواد بلاستيكية مختلفة: CO وPEG400 وPEG1000 وPEG1500 وPVP، المخصصة كـ P-CO وP-PEG400 وP-PEG1000 وP-PEG1500 وP-PVP، على التوالي. كانت الدراسة تهدف إلى استكشاف كيف يؤثر نوع المادة البلاستيكية على آليات إطلاق الدواء المحكوم. تم توضيح التفاعلات بين مصفوفة البكتين وكل مادة بلاستيكية بشكل تخطيطي، مما يشير إلى أن PEG وPVP تتفاعل بشكل أساسي من خلال الروابط الهيدروجينية، بينما يشارك CO في كل من الروابط الهيدروجينية المستندة إلى الإستر والتفاعلات الكارهة للماء. تؤثر هذه التفاعلات بشكل كبير على خصائص انتفاخ الهلام وسلوك إطلاق الدواء.
تم تصنيع أفلام الهلام باستخدام عملية التكلفة المنخفضة للجيل-الهلام، مع روابط أيونية ديناميكية مزدوجة تعمل كآلية الربط الرئيسية. أظهرت مصفوفات الهلام الناتجة خصائص مرغوبة، بما في ذلك كونها خالية من الشقوق ومتجانسة وشفافة، وهو ما يعد ميزة للمراقبة البصرية في الوقت الحقيقي في التطبيقات البيولوجية. تم دعم النتائج بشكل أكبر من خلال تحليلات مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وحرارية المسح التفاضلي (DSC)، والتي قدمت رؤى حول التفاعلات الجزيئية وسلامة الهيكل للهلاميات.
مناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث إعداد وتوصيف أفلام الهلام المعتمدة على البكتين LM، مع التأكيد على دور المواد البلاستيكية المختلفة (CO وPVP وPEG400 وPEG1000 وPEG1500) في التأثير على الخصائص الهيكلية والحرارية للهلام، وسلوك الانتفاخ، وحركيات إطلاق الدواء. تم تصنيع الهلاميات من خلال التجلط الأيوني مع CaCl₂ كعامل ربط والثيوفيلين كدواء نموذجي. أدى دمج المواد البلاستيكية المختلفة إلى تفاعلات جزيئية مميزة، تؤثر على البلورية والترطيب، مما بدوره يعدل ملفات إطلاق الدواء. من الجدير بالذكر أن PVP أظهرت أعلى نسبة انتفاخ بسبب طبيعتها الهيدروسكوبية، بينما أظهرت P-CO أعلى إطلاق تراكمي للدواء على الرغم من قدرتها المنخفضة على الانتفاخ، وهو ما يُعزى إلى هيكلها شبه البلوري والميكرو مجالات الكارهة للماء.
كشفت التحليلات الحرارية عبر المسح التفاضلي (DSC) أن المواد البلاستيكية أثرت بشكل كبير على درجات انصهار الهلام وحرارة الانصهار، حيث أدى CO إلى تقليل الاستقرار الحراري بسبب خصائصه الكارهة للماء. في المقابل، عززت متغيرات PEG وPVP استقرار الشبكة من خلال الروابط الهيدروجينية، مع ارتباط الأوزان الجزيئية الأعلى بزيادة البلورية والمقاومة الحرارية. كما أثبتت الدراسة أن حركيات إطلاق الدواء تأثرت بنوع المادة البلاستيكية، حيث أظهرت P-CO وPVP أسرع وأكثر ملفات إطلاق مستدامة، على التوالي. كانت آليات الإطلاق محكومة بشكل أساسي بالانتشار والتآكل المدعوم بالسطح، كما يتضح من التوافق مع نماذج Korsmeyer-Peppas وHixson-Crowell. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على التأثير الحاسم لاختيار المواد البلاستيكية على الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأداء توصيل الدواء لهلاميات LM-pectin، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في المجالات البيولوجية مثل لصقات الجلد وضمادات الجروح. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف أنظمة المواد البلاستيكية المزدوجة والإضافات المفعلّة لتحسين هذه الهلاميات لتوصيل الدواء المحكوم.
DOI: https://doi.org/10.55730/1300-0527.3775
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41798082
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Banu Kocaağa et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
This section of the research paper discusses the influence of different plasticizers on the structural characteristics and drug release profiles of low-methoxy pectin (LM-pectin)-based hydrogels. The study highlights that the type and molecular weight (MW) of plasticizers, specifically castor oil (CO), polyvinylpyrrolidone (PVP), and polyethylene glycol (PEG) with MWs ranging from 400 to 1500, significantly affect the network architecture and drug release kinetics. Among the tested formulations, P-CO hydrogels exhibited the highest cumulative drug release due to enhanced matrix flexibility resulting from the disruption of pectin chain packing by hydrophobic triglyceride domains. In contrast, PVP-based hydrogels demonstrated a controlled release profile due to increased crystallinity and network stiffness, while PEG-modified systems displayed MW-dependent release dynamics.
The findings indicate that PEG400 resulted in limited drug release due to reduced swelling, whereas PEG1500 restricted diffusion through intensified secondary interactions. PEG1000 showed an intermediate release pattern, balancing crystallinity and hydration to facilitate a mixed diffusion-relaxation transport regime. The study concludes that the modulation of swelling ratio, network density, and crystallinity by plasticizers is crucial for governing drug transport in pectin hydrogels. Future research directions include assessing long-term stability, exploring synergistic plasticizer combinations, and implementing surface-functionalization strategies to enhance the applicability of LM-pectin hydrogels in controlled drug delivery systems.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing interest in hydrogels within pharmaceutical and biomedical fields due to their ability to encapsulate and control the release of therapeutic agents. Key factors influencing the release behavior of hydrogels include polymer composition, cross-link density, porosity, and the use of plasticizers. Low-methoxy pectin (LM-pectin) is emphasized for its biocompatibility and ability to form stable three-dimensional networks through ionic crosslinking with divalent cations like Ca²⁺, resulting in an “egg-box” structure that enhances mechanical stability. However, LM-pectin hydrogels often exhibit brittleness due to strong polymer interactions, necessitating strategies to improve their mechanical robustness for applications in wound healing and controlled drug delivery.
To address brittleness, the incorporation of plasticizers is proposed as a viable approach. Plasticizers disrupt polymer-polymer interactions, enhancing chain mobility and flexibility, which is crucial for optimizing mechanical properties and drug release profiles. The study specifically examines the effects of four plasticizers—castor oil (CO), polyethylene glycol (PEG) of varying molecular weights, and polyvinylpyrrolidone (PVP)—on the physicochemical properties and drug release behavior of LM-pectin hydrogels. Theophylline is used as a model drug to evaluate release kinetics, with the aim of elucidating the relationship between plasticizer characteristics and hydrogel performance, thereby informing the design of LM-pectin-based systems for advanced biomedical applications.
Methods
In this study, LM-amide pectin was sourced from Herbstreith & Fox KG (Germany), while Tris (2-amino-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol), calcium chloride dihydrate (CaCl₂•2H₂O), and theophylline were obtained from Sigma-Aldrich (Düsseldorf, Germany). All chemicals employed in the experiments were of analytical grade and were used without additional purification. Double-deionized water served as the solvent throughout the experimental procedures.
Results
In this study, the authors developed theophylline-loaded hydrogel films using five different plasticizers: CO, PEG400, PEG1000, PEG1500, and PVP, designated as P-CO, P-PEG400, P-PEG1000, P-PEG1500, and P-PVP, respectively. The research aimed to explore how the type of plasticizer affects the mechanisms of controlled drug release. The interactions between the pectin matrix and each plasticizer were illustrated schematically, indicating that PEG and PVP primarily engage through hydrogen bonding, while CO is involved in both ester-based hydrogen bonding and hydrophobic interactions. These interactions significantly influence the hydrogel’s swelling properties and drug release behavior.
The hydrogel films were synthesized using a cost-effective sol-gel process, with dynamic dual ionic bonds serving as the main cross-linking mechanism. The resulting hydrogel matrices exhibited desirable characteristics, including being crack-free, homogeneous, and transparent, which are advantageous for real-time optical monitoring in biomedical applications. The findings were further substantiated by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential scanning calorimetry (DSC) analyses, which provided insights into the molecular interactions and structural integrity of the hydrogels.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the preparation and characterization of LM pectin-based hydrogel films, emphasizing the role of various plasticizers (CO, PVP, PEG400, PEG1000, and PEG1500) in influencing the hydrogels’ structural and thermal properties, swelling behavior, and drug release kinetics. The hydrogels were synthesized through ionotropic gelation with CaCl₂ as a crosslinker and theophylline as a model drug. The incorporation of different plasticizers resulted in distinct molecular interactions, affecting crystallinity and hydration, which in turn modulated drug release profiles. Notably, PVP exhibited the highest swelling ratio due to its hygroscopic nature, while P-CO showed the highest cumulative drug release despite its lower swelling capacity, attributed to its semicrystalline structure and hydrophobic microdomains.
Thermal analysis via differential scanning calorimetry (DSC) revealed that plasticizers significantly impacted the melting points and enthalpy of fusion of the hydrogels, with CO leading to reduced thermal stability due to its hydrophobic characteristics. In contrast, PEG variants and PVP enhanced network stability through hydrogen bonding, with higher molecular weights correlating with increased crystallinity and thermal resistance. The study also established that drug release kinetics were influenced by plasticizer type, with P-CO and PVP demonstrating the fastest and most sustained release profiles, respectively. The release mechanisms were primarily governed by diffusion and surface-mediated erosion, as indicated by fitting to the Korsmeyer-Peppas and Hixson-Crowell models. Overall, the findings underscore the critical influence of plasticizer selection on the physicochemical properties and drug delivery performance of LM-pectin hydrogels, suggesting potential applications in biomedical fields such as dermal patches and wound dressings. Future research directions include exploring dual-plasticizer systems and functionalized additives to further optimize these hydrogels for controlled drug delivery.