DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340974
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41576034
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Sina M. Matalqah وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع نقاط الكربون المشتقة من النفايات البيولوجية (BCDs) من قشور قصب السكر ودمجها في هيدروجيلات قابلة للتحلل البيولوجي لتوصيل مستهدف للأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAIDs). كشفت تقنيات التوصيف مثل FTIR، مطيافية رامان، والضوء المتلألئ أن BCDs تمتلك العديد من المجموعات الوظيفية السطحية وخصائص الفلورية القوية. أدى دمج BCDs إلى تحسين كبير في القوة الميكانيكية للهيدروجيلات وتمكين إطلاق الدواء استجابةً لتغيرات الرقم الهيدروجيني، حيث أظهرت الدراسات المعملية أن الإيبوبروفين تم إطلاقه بشكل أسرع في الظروف الحمضية (pH 3.8) مقارنةً بالبيئات المحايدة والقلوية. اتبعت حركية الإطلاق نموذج هيغوتشي، مما يدل على آلية تحكم بالانتشار.
أظهرت النتائج أن BCDs لم تعزز فقط هيكل الهيدروجيل ولكن أيضًا سهلت انتشار الدواء بشكل منظم من خلال تشكيل مجالات دقيقة. أكدت اختبارات السمية الخلوية التوافق الحيوي العالي لكل من BCDs والهيدروجيلات المحملة بـ BCD، حيث حافظت على بقاء الخلايا فوق 80-90% على مدى خمسة أيام. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات هذا الهيدروجيل النانوي القائم على BCD كمنصة متعددة الاستخدامات لتوصيل الأدوية استجابةً لتغيرات الرقم الهيدروجيني، مع آثار على التطبيقات الطبية المستدامة بيئيًا. تؤسس النتائج أساسًا لمزيد من تحسين تركيبات الهيدروجيل بهدف تحقيق إطلاق منظم ومحدد الموقع في السياقات العلاجية.
مقدمة
تؤثر الاضطرابات الالتهابية المزمنة، بما في ذلك التهاب المفاصل الروماتويدي، والتهاب المفاصل العظمي، والتهاب الأوتار، على أكثر من 20% من السكان البالغين على مستوى العالم، مما يؤدي إلى إعاقة طويلة الأمد وانخفاض جودة الحياة. تُستخدم الأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAIDs) مثل الديكلوفيناك والإيبوبروفين بشكل شائع لتخفيف الألم والالتهاب من خلال تثبيط إنزيمات السيكلوأوكسيجيناز (COX). ومع ذلك، فإن استخدامها النظامي محدود بسبب الآثار الجانبية مثل قرحات الجهاز الهضمي ومخاطر القلب والأوعية الدموية. توفر الحقن داخل المفصل خيار علاج محلي ولكنها تعاني من إزالة سريعة من السائل الزليلي، مما يتطلب إعادة حقن متكررة تزيد من مخاطر العدوى وأعباء الرعاية الصحية.
لمعالجة هذه التحديات، حظي تطوير أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة، وخاصة الهيدروجيلات، باهتمام متزايد. الهيدروجيلات هي شبكات بوليمرية هيدروفيلية ثلاثية الأبعاد يمكنها امتصاص السوائل البيولوجية وتقديم توصيل منظم للأدوية بفضل خصائصها القابلة للتعديل وتوافقها الحيوي. تمثل الهيدروجيلات المستجيبة للمؤثرات، التي تستجيب لإشارات مرضية محددة مثل تغيرات الرقم الهيدروجيني وزيادة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، تقدمًا كبيرًا في هذا المجال. تشمل الابتكارات الحديثة الهيدروجيلات المستجيبة للحرارة المعتمدة على الكيتوزان والشبكات البوليمرية شبه المتداخلة (semi-IPNs) التي تجمع بين فوائد البوليمرات الطبيعية والصناعية. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال الهيدروجيلات التقليدية تواجه قيودًا، بما في ذلك القوة الميكانيكية غير الكافية للتطبيقات الحاملة للأحمال والتحديات المتعلقة بالتحلل البيولوجي وردود الفعل تجاه الأجسام الغريبة.
طرق البحث
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمركبات من موردين تجاريين في الهند وتم استخدامها دون مزيد من التنقية ما لم يُذكر خلاف ذلك. تضمنت المواد الرئيسية قشور قصب السكر (SCB) كنفايات زراعية، وملح الصوديوم من السليلوز الكربوكسي ميثيل (CMC) من صناعات بهارات النشا، ومونومر الأكريلاميد (AAm) وN,N′-ميثيلين ثنائي الأكريلاميد (MBA) من سيغما-ألدريتش، وبيرسلفات الأمونيوم (APS) كمبادر. بالإضافة إلى ذلك، تم توفير الإيبوبروفين من قبل شركة سيبلا المحدودة لأغراض تجريبية. لتصنيع نقاط الكربون، تم استخدام حمض الكبريتيك وهيدروكسيد الصوديوم، وتم إجراء عملية الغسيل الكلوي باستخدام أغشية استر السليلوز.
لتقييم السمية الخلوية، تم استخدام وسط ديلبيكو المعدل (DMEM) معزز بمصل جنين العجل والبنسلين-ستربتوميسين لزراعة الخلايا. تم إعداد جميع المحاليل باستخدام مياه منزوع الأيونات من نظام تنقية Milli-Q Advantage A10، مما يضمن نقاءً عاليًا لدقة التجارب. تدعم هذه المقاربة الشاملة للمواد والطرق موثوقية النتائج المقدمة في الدراسة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تشير الاختبارات الإحصائية إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
بالإضافة إلى النتائج الكمية، توفر الملاحظات النوعية مزيدًا من السياق للنتائج. تؤكد المناقشات المحيطة بهذه النتائج على أهميتها للأدبيات الحالية والتطبيقات المحتملة في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز فهم الموضوع وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذا القسم من المناقشة، يبرز المؤلفون الاستخدام المبتكر لنقاط الكربون (CDs)، وبشكل خاص نقاط الكربون المشتقة من القشور (BCDs)، في تطوير الشبكات البوليمرية شبه المتداخلة القابلة للتحلل البيولوجي (semi-IPNs) لتوصيل الأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAID). تعزز الوظائف المتعددة لـ CDs، بما في ذلك الفلورية الذاتية، والضوء المتلألئ، والتخلص من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، الخصائص الميكانيكية وسلوكيات الاستجابة للمؤثرات للهيدروجيلات. من الجدير بالذكر أن دمج CDs المدعومة بالنيتروجين (NCDs) في هيدروجيلات السليلوز الكربوكسي ميثيل (CMC) يسهل الانتفاخ المعتمد على الرقم الهيدروجيني وتتبع الفلورية في الوقت الحقيقي لإطلاق الدواء، بينما تظهر الشبكات المدعومة بـ CD من بولي أكريلاميد قدرة فائقة على التمدد الذاتي وقدرات الشفاء الذاتي.
يؤكد المؤلفون على استدامة تصنيع BCDs من النفايات الزراعية، مما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري. يحددون فجوة حاسمة في الأنظمة الحالية التي تفشل في دمج التحلل البيولوجي للبوليمرات الطبيعية مع المرونة الميكانيكية والاستجابة المتعددة للمؤثرات المطلوبة لتوصيل NSAID بشكل فعال. لا تعالج الهيدروجيل المقترحة semi-IPN هذه التحديات فحسب، بل تقدم أيضًا تحولًا نحو أنظمة توصيل الأدوية الذكية التي يمكن أن تستجيب للإشارات الالتهابية وتوفر مراقبة في الوقت الحقيقي لإطلاق الدواء. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف التوزيع الحيوي في الجسم الحي والسمية طويلة الأمد لهذه المادة البيولوجية الجديدة، التي لديها القدرة على تعزيز إدارة الاضطرابات العضلية الهيكلية المزمنة بشكل كبير.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340974
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41576034
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Sina M. Matalqah et al.
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
In this study, biowaste-derived carbon dots (BCDs) were synthesized from sugarcane bagasse and integrated into biodegradable hydrogels for the targeted delivery of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). Characterization techniques such as FTIR, Raman spectroscopy, and photoluminescence revealed that the BCDs possessed numerous surface functional groups and strong fluorescence properties. The incorporation of BCDs significantly improved the mechanical strength of the hydrogels and enabled pH-responsive drug release, with in vitro studies showing that ibuprofen was released more rapidly in acidic conditions (pH 3.8) compared to neutral and alkaline environments. The release kinetics followed the Higuchi model, indicating a diffusion-controlled mechanism.
The findings demonstrated that the BCDs not only reinforced the hydrogel structure but also facilitated controlled drug diffusion through the formation of microdomains. Cytotoxicity assays confirmed the high biocompatibility of both the BCDs and the BCD-loaded hydrogels, maintaining cell viability above 80-90% over five days. The study highlights the potential of this BCD-based nanocomposite hydrogel as a versatile platform for pH-responsive drug delivery, with implications for environmentally sustainable biomedical applications. The results establish a foundation for further optimization of hydrogel formulations aimed at achieving site-specific, controlled release in therapeutic contexts.
Introduction
Chronic inflammatory disorders, including rheumatoid arthritis, osteoarthritis, and tendinitis, affect over 20% of the adult population globally, leading to significant long-term disability and diminished quality of life. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) like diclofenac and ibuprofen are commonly used to alleviate pain and inflammation by inhibiting cyclooxygenase (COX) enzymes. However, their systemic use is limited by adverse effects such as gastrointestinal ulcers and cardiovascular risks. Intra-articular injections provide a localized treatment option but are hindered by rapid clearance from synovial fluid, necessitating frequent reinjections that increase infection risks and healthcare burdens.
To address these challenges, the development of advanced drug delivery systems, particularly hydrogels, has gained attention. Hydrogels are three-dimensional hydrophilic polymer networks that can absorb biological fluids and offer controlled drug delivery due to their tunable properties and biocompatibility. Stimuli-responsive hydrogels, which respond to specific pathological signals such as pH changes and elevated reactive oxygen species (ROS), represent a significant advancement in this field. Recent innovations include chitosan-based thermoresponsive hydrogels and semi-interpenetrating polymer networks (semi-IPNs) that combine the benefits of natural and synthetic polymers. Despite these advancements, conventional hydrogels still face limitations, including insufficient mechanical strength for load-bearing applications and challenges related to biodegradability and foreign-body reactions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. All chemicals and reagents were sourced from commercial suppliers in India and were used without further purification unless specified otherwise. Key materials included sugarcane bagasse (SCB) as agricultural waste, carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC) from Bharat Starch Industries, acrylamide monomer (AAm) and N,N′-methylenebisacrylamide (MBA) from Sigma-Aldrich, and ammonium persulfate (APS) as the initiator. Additionally, ibuprofen was provided by Cipla Ltd. for experimental purposes. For the synthesis of carbon dots, sulfuric acid and sodium hydroxide were used, and dialysis was conducted with cellulose ester membranes.
For cytotoxicity assessments, Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) supplemented with fetal bovine serum and penicillin-streptomycin was employed for cell culture. All solutions were prepared using deionized water from a Milli-Q Advantage A10 purification system, ensuring high purity for experimental accuracy. This comprehensive approach to materials and methods underpins the reliability of the findings presented in the study.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses posited in the research.
In addition to the quantitative findings, qualitative observations provide further context to the results. The discussions surrounding these findings emphasize their relevance to existing literature and potential applications in the field. Overall, the results contribute valuable insights that advance understanding of the topic and suggest avenues for future research.
Discussion
In this discussion section, the authors highlight the innovative use of carbon dots (CDs), specifically bagasse-derived carbon dots (BCDs), in the development of biodegradable semi-interpenetrating polymer networks (semi-IPNs) for non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID) delivery. The multifunctionality of CDs, including intrinsic fluorescence, photoluminescence, and reactive oxygen species (ROS) scavenging, enhances the mechanical properties and stimuli-responsive behaviors of hydrogels. Notably, the incorporation of nitrogen-doped CDs (NCDs) into carboxymethyl cellulose (CMC) hydrogels facilitates pH-dependent swelling and real-time fluorescence tracking of drug release, while CD-reinforced polyacrylamide networks exhibit remarkable superstretchability and self-healing capabilities.
The authors emphasize the sustainability of synthesizing BCDs from agricultural waste, which aligns with circular economy principles. They identify a critical gap in existing systems that fail to integrate the biodegradability of natural polymers with the mechanical resilience and multi-stimuli responsiveness required for effective NSAID delivery. The proposed semi-IPN hydrogel not only addresses these challenges but also offers a paradigm shift towards intelligent drug delivery systems that can respond to inflammatory cues and provide real-time monitoring of drug release. Future research directions include exploring the in vivo biodistribution and long-term toxicity of this novel biomaterial, which has the potential to significantly advance the management of chronic musculoskeletal disorders.