DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-026-06942-3
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Li Ching Wong وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانيات هيدروجيل السليلوز من الكابوك لتوصيل الأدوية عبر الجلد، مع التركيز على تأثيرات محتوى السليلوز وتركيب المذيب القلوي على خصائص الهيدروجيل. تم إذابة سليلوز الكابوك، المشتق من كتلة حيوية غير خشبية ذات تكلفة منخفضة، باستخدام المذيبات القلوية التي تحتوي على هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) واليوريا قبل أن يتم ربطه مع الإبيكلوروهيدرين. تسلط الأبحاث الضوء على أنه بينما التأثير لمحتوى المذيب القلوي على خصائص الهيدروجيل معروف جيدًا، فإن محتوى السليلوز يؤثر بشكل كبير على خصائص الهيدروجيل المصنوع من سليلوز الكابوك غير المبيض.
تشير النتائج إلى وجود علاقة بين استعادة حجم محلول السليلوز والذوبانية، مما يوحي بأن استعادة الحجم قد تكون مقياسًا مفيدًا لتحسين التركيبات ذات الذوبانية العالية. كما تلاحظ الدراسة أنه عند تركيزات سليلوز أعلى، يصبح تأثير تركيب المذيب القلوي على الذوبانية أكثر وضوحًا بسبب المنافسة على جزيئات المذيب، على الرغم من أن هذا التأثير أقل أهمية لتكوين الهيدروجيل. قد يكون هذا الظاهرة مرتبطة بتأثير السقف، حيث يحد شبكة الهيدروجيل الأكثر كثافة من نسبة الانتفاخ. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الأبحاث أن هيدروجيل سليلوز الكابوك يمكن أن يعزز نفاذية الأدوية عبر الجلد، خاصة عندما تكون الهياكل المسامية الأكبر موجودة، مما يبرز إمكانياتها لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية الحيوية.
مقدمة
تناقش المقدمة خصائص وتطبيقات محتملة لألياف الكابوك، المشتقة من قرون بذور شجرة سيبا بينتاندر. هذه الألياف الطبيعية خفيفة الوزن، كارهة للماء، ومحبة للزيت، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بما في ذلك الحشو للوسائد ومواد امتصاص الزيت. ومع ذلك، فقد تم إعاقة نمو سوقها بسبب التحديات في إنتاج الخيوط والمنافسة من الألياف الاصطناعية، مما أدى إلى انخفاض كبير في الإنتاج العالمي من 2001 إلى 2021. على الرغم من ذلك، هناك اهتمام متجدد بألياف الكابوك لتطبيقات ذات قيمة أعلى، خاصة في سياق المواد المستدامة، مثل المواد الحيوية لتعزيز الورق المعاد تدويره ومعالجة مياه الصرف.
تهدف الدراسة إلى استكشاف استخدام ألياف الكابوك في تطوير هيدروجيل السليلوز، وهي شبكات ثلاثية الأبعاد من البوليمرات المحبة للماء ذات تطبيقات كبيرة في توصيل الأدوية وشفاء الجروح. تركز الأبحاث على تأثير محتويات السليلوز والمذيب القلوي على تكوين الهيدروجيل، بناءً على النتائج السابقة المتعلقة بهيدروجيل السليلوز المشتق من كتل ثمار زيت النخيل الفارغة. بالإضافة إلى ذلك، تقيم الدراسة إمكانيات هذه الهيدروجيلات في توصيل النياسيناميد (NIA)، وهو مكون نشط معروف في التركيبات التجميلية، معترف به لخصائصه في تفتيح البشرة ومكافحة الشيخوخة.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على قرون بذور الكابوك من كيلانتان، ماليزيا، وتم استخراج الألياف يدويًا لمزيد من المعالجة. خضعت ألياف الكابوك لسلسلة من المعالجات، بدءًا من خطوة إزالة الشمع باستخدام 1 م هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) عند 60 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة، تليها معالجة مائية مسبقة عند نسبة مادة إلى سائل 1:12 عند 150 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة. بعد ذلك، تم إجراء عملية طهي بالصودا باستخدام 25% NaOH (3.75% w/v بناءً على وزن المادة المجففة في الفرن) عند نسبة مادة إلى سائل 1:7 عند 150 درجة مئوية لمدة 120 دقيقة. تمcharacterization لب الخشب غير المبيض الناتج بمحتوى سليلوز يبلغ 97.47%، وهيميسليلوز عند 2.53%، ورقم كابا يبلغ 5.1، مما يشير إلى محتوى لجنين منخفض (~0.75-0.85%).
للحفاظ على الاتساق، تم استخدام نفس دفعة لب السليلوز عبر جميع التركيبات. تم الحصول على مواد كيميائية متنوعة من موردين موثوقين، بما في ذلك NaOH من R&M Chemicals، واليوريا من Bendosen Laboratory Chemicals، والإبيكلوروهيدرين من Sigma-Aldrich. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع أنسجة جلد الخنازير كاملة السماكة من مصادر محلية وتخزينها بشكل مناسب للاستخدام التجريبي. تم الحصول على الخلايا الليفية الجلدية البشرية (خط الخلايا Hs-27) ووسائط الثقافة، بما في ذلك وسط ديلبيكو المعدل (DMEM) ومصل جنين العجل (FBS)، من موردين معروفين لدعم تجارب زراعة الخلايا. تضمن المنهج الموضح إطارًا قويًا للتحليلات والتطبيقات اللاحقة في الدراسة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول ذوبانية سليلوز الكابوك أن ذوبانيته أقل بكثير من النطاق المعتاد (75-100%) المبلغ عنه لسليلوز الكتلة الحيوية غير الخشبية في المذيبات القلوية المائية. على وجه التحديد، انخفضت الذوبانية مع زيادة تركيز السليلوز: 76-92% عند 1% w/v، 28-74% عند 2% w/v، و12-56% عند 3% w/v. عزز وجود المذيبات القلوية، وخاصة NaOH، الذوبانية، مع زيادة ملحوظة تبلغ حوالي 6% لكل 1% w/v من NaOH المضاف، بينما كان تأثير اليوريا أقل وضوحًا. كما أشارت الدراسة إلى أن تركيزات السليلوز الأعلى قد تتجاوز قدرة المذيبات القلوية على الذوبان، مما يؤدي إلى انخفاض في الذوبانية.
أظهرت التحليلات أيضًا أن NaOH يلعب دورًا رئيسيًا في إذابة السليلوز، خاصة عند التركيزات الأعلى، حيث يسهل تفكيك الروابط الهيدروجينية داخل السليلوز. بينما كانت اليوريا، على الرغم من أنها أقل تأثيرًا بمفردها، تعمل بشكل تآزري مع NaOH لمنع إعادة تجميع السليلوز، مما يعزز الذوبانية العامة. تشير النتائج إلى أن تركيبات المذيبات القلوية المثلى ضرورية لذوبان السليلوز الفعال، مع وجود تركيبات معينة تحقق نتائج أفضل. حققت معظم التركيبات حجمًا مذابًا يتجاوز 60%، على الرغم من استبعاد بعضها من التحقيقات اللاحقة بسبب انخفاض معدلات الاسترداد.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف الهيدروجيلات القائمة على السليلوز المشتقة من لب الكابوك. تم الحصول على محلول السليلوز من خلال التحلل المائي باستخدام حمض الكبريتيك، تلاه التحييد والتجفيف بالتجميد. ثم تم إذابة مسحوق السليلوز الناتج في مذيب قلوي يحتوي على هيدروكسيد الصوديوم واليوريا، مع تحديد التركيزات المثلى من الدراسات الأولية للذوبانية. تم تشكيل الهيدروجيل عن طريق إضافة الإبيكلوروهيدرين كعامل ربط، وتم تقييم خصائصها الهيكلية من خلال اختبارات متنوعة، بما في ذلك تقييمات الانتفاخ وتآكل الهلام. كانت نسبة الانتفاخ أعلى بشكل ملحوظ في الهيدروجيل ذات تركيزات سليلوز أقل، بينما انخفض تآكل الهلام مع زيادة محتوى السليلوز، مما يشير إلى وجود علاقة بين تركيز السليلوز واستقرار الهيدروجيل.
كشفت التحليلات الشكلية عن خصائص هيكلية مميزة للهيدروجيل، مع مسامية متغيرة تأثرت بتركيزات هيدروكسيد الصوديوم واليوريا. أكدت مطيافية ATR-FTIR وجود مجموعات وظيفية تشير إلى السليلوز وأبرزت التغيرات الناتجة عن الربط. أظهرت دراسات محتوى الدواء أن هيدروجيلات معينة، وخاصة CNU172 وCNU184، أظهرت خصائص ملائمة لتطبيقات توصيل الأدوية، محققة نسب انتفاخ عالية واستقرار هيكلي. أشارت دراسات نفاذية الجلد في المختبر إلى أن الهيدروجيل CNU172 تفوق على CNU184، مع تحسين إطلاق الدواء المنسوب إلى هيكله المسامي الأكبر ومحتوى الدواء الأعلى. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التركيب وطرق الإعداد تؤثر بشكل كبير على خصائص هيدروجيل السليلوز، مما يجعلها مرشحة واعدة لأنظمة توصيل الأدوية عبر الجلد.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-026-06942-3
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Li Ching Wong et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
This study investigates the potential of kapok cellulose hydrogels for dermal drug delivery, focusing on the effects of cellulose content and alkali solvent composition on hydrogel properties. Kapok cellulose, derived from a cost-effective non-woody biomass, was solubilised using alkali solvents containing sodium hydroxide (NaOH) and urea before being crosslinked with epichlorohydrin. The research highlights that while the influence of alkali solvent content on hydrogel characteristics is well-established, the cellulose content significantly affects the properties of hydrogels made from unbleached kapok cellulose.
The findings indicate a correlation between cellulose solution volume recovery and solubility, suggesting that volume recovery could be a useful metric for optimizing formulations with high solubilisation. The study also notes that at higher cellulose concentrations, the alkali solvent composition’s impact on solubilisation becomes more pronounced due to competition for solvent molecules, although this effect is less significant for hydrogel formation. This phenomenon may be linked to a ceiling effect, where a denser hydrogel network limits the swelling ratio. Additionally, the research demonstrates that kapok cellulose hydrogels can enhance dermal drug permeation, particularly when larger porous structures are present, underscoring their potential for various biomedical applications.
Introduction
The introduction discusses the properties and potential applications of kapok fibres, derived from the seed pods of the Ceiba pentandra tree. These natural fibres are lightweight, hydrophobic, and oleophilic, making them suitable for various uses, including stuffing for pillows and oil-absorbing materials. However, their market growth has been stunted due to challenges in yarn production and competition from synthetic fibres, leading to a significant decline in global production from 2001 to 2021. Despite this, there is renewed interest in kapok fibres for higher-value applications, particularly in the context of sustainable materials, such as biomaterials for recycled paper reinforcement and wastewater treatment.
The study aims to explore the use of kapok fibres in the development of cellulose hydrogels, which are three-dimensional networks of hydrophilic polymers with significant applications in drug delivery and wound healing. The research focuses on the influence of cellulose and alkali solvent contents on hydrogel formation, building on previous findings related to cellulose hydrogels derived from oil palm empty fruit bunches. Additionally, the study evaluates the potential of these hydrogels for delivering niacinamide (NIA), a well-known active ingredient in cosmetic formulations, recognized for its skin brightening and anti-aging properties.
Methods
In this study, kapok seed pods were sourced from Kelantan, Malaysia, and the fibers were manually extracted for further processing. The kapok fibers underwent a series of treatments, beginning with a dewaxing step using 1 M sodium hydroxide (NaOH) at 60 °C for 15 minutes, followed by water prehydrolysis at a material-to-liquor ratio of 1:12 at 150 °C for 60 minutes. Subsequently, a soda pulping process was conducted using 25% NaOH (3.75% w/v based on oven-dried material weight) at a 1:7 material-to-liquor ratio at 150 °C for 120 minutes. The resulting unbleached kapok pulp was characterized by a cellulose content of 97.47%, hemicellulose at 2.53%, and a kappa number of 5.1, indicating a low lignin content (~0.75-0.85%).
To maintain consistency, the same batch of cellulose pulp was utilized across all formulations. Various chemicals were sourced from reputable suppliers, including NaOH from R&M Chemicals, urea from Bendosen Laboratory Chemicals, and epichlorohydrin from Sigma-Aldrich. Additionally, full-thickness porcine skin tissues were harvested from local sources and stored appropriately for experimental use. Human skin fibroblasts (Hs-27 cell line) and culture media, including Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) and fetal bovine serum (FBS), were procured from established suppliers to support cell culture experiments. The methodology outlined ensures a robust framework for subsequent analyses and applications in the study.
Results
The results of the study on kapok cellulose solubility reveal that its solubility is significantly lower than the typical range (75-100%) reported for non-woody biomass cellulose in aqueous alkali solvents. Specifically, solubility decreased with increasing cellulose concentration: 76-92% at 1% w/v, 28-74% at 2% w/v, and 12-56% at 3% w/v. The presence of alkali solvents, particularly NaOH, enhanced solubility, with a notable increase of approximately 6% for each 1% w/v of NaOH added, while the impact of urea was less pronounced. The study also indicated that higher cellulose concentrations could exceed the dissolution capacity of the alkali solvents, leading to a decrease in solubility.
The analysis further demonstrated that NaOH plays a dominant role in cellulose solubilisation, particularly at higher concentrations, where it facilitates the disruption of hydrogen bonds within cellulose. Urea, while less influential on its own, appears to work synergistically with NaOH to prevent cellulose reaggregation, enhancing overall solubility. The findings suggest that optimal alkali solvent compositions are crucial for effective cellulose dissolution, with specific combinations yielding better results. Most formulations achieved a solubilised volume exceeding 60%, although some were excluded from further investigation due to low recovery rates.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of cellulose-based hydrogels derived from kapok pulp are discussed. The cellulose solution was obtained through hydrolysis with sulfuric acid, followed by neutralization and freeze-drying. The resulting cellulose powder was then dissolved in an alkali solvent containing sodium hydroxide and urea, with optimal concentrations determined from preliminary solubility studies. The hydrogels were formed by adding epichlorohydrin as a crosslinker, and their structural properties were evaluated through various tests, including swelling and gel erosion assessments. The swelling ratio was notably higher in hydrogels with lower cellulose concentrations, while gel erosion decreased with increased cellulose content, indicating a correlation between cellulose concentration and hydrogel stability.
The morphological analysis revealed distinct structural characteristics of the hydrogels, with varying porosity influenced by the concentrations of sodium hydroxide and urea. The ATR-FTIR spectroscopy confirmed the presence of functional groups indicative of cellulose and highlighted changes due to crosslinking. Drug content studies demonstrated that specific hydrogels, particularly CNU172 and CNU184, exhibited favorable properties for drug delivery applications, achieving high swelling ratios and structural stability. In vitro skin permeation studies indicated that hydrogel CNU172 outperformed CNU184, with enhanced drug release attributed to its larger porous structure and higher drug content. Overall, the findings suggest that the composition and preparation methods significantly affect the properties of cellulose hydrogels, making them promising candidates for transdermal drug delivery systems.