مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

مقایسه خواص هیدروژل‌های PVA/ZnO تهیه‌شده به روش‌های مختلف برای کاربردهای زیستی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
آذین پیدایش 1
الناز فرزین فر 2
فاطمه عرب گل 3
1 گروه علمی مهندسی شیمی، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران
2 گروه مهندسی پلیمر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ماهشهر، ایران
3 مرکز آموزش عالی فنی و مهندسی، فنی و مهندسی بوئین زهرا، گروه مهندسی شیمی، مواد و پلیمر، بوئین زهرا، قزوین، ایران
چکیده
مقدمه و اهداف: با توجه به نیاز روزافزون به مواد زیست‌سازگار در پزشکی، طراحی هیدروژل‌هایی با خواص مکانیکی و زیستی اهمیت یافته است. هیدروژل‌های پلیمری مانند پلی‌وینیل الکل به‌دلیل زیست‌سازگاری، تورم بالا و خواص مکانیکی مشابه بافت بدن، کاربرد پزشکی دارند و افزودن نانوذرات مانند اکسید روی می‌تواند خواص آن‌ها را بهبود بخشد. در این مطالعه، برای نخستین بار تأثیر روش‌های مختلف پیوند عرضی فیزیکی بر خواص مکانیکی و زیستی هیدروژل‌های پلی‌وینیل الکل حاوی نانوذرات اکسید روی بررسی شد.
مواد و روش‌ها: هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی حاوی درصدهای مختلف نانوذرات اکسید روی به دو روش فیزیکی متفاوت، با و بدون افزودن عامل شبکه‌ای‌کننده تهیه شدند. ترکیبی از این دو روش نیز استفاده شد. مورفولوژی و ساختار هیدروژل‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی مادون قرمز مشخص شد. خواص مکانیکی و زیست‌سازگاری از طریق آزمون کشش و میزان بقای سلول جهت کاربردهای زیستی ارزیابی گردید.
یافته‌ها: هیدروژل حاوی ۱۵ درصد نانوذره، تهیه‌شده با عامل شبکه‌ای‌کننده و روش انجماد-ذوب، بیش‌ترین مقاومت در برابر شکست (37/5 مگاپاسکال)، درصد افزایش طول (55%)، مدول ذخیره‌ای (23 مگاپاسکال) و درصد زنده‌مانی سلول (70%) را نشان داد. تصاویر میکروسکوپی و طیف‌سنجی، بیانگر تشکیل شبکه هیدروژلی مستحکم و پیوندهای هیدروژنی قوی بود که بهبود خواص مکانیکی و زیستی را موجب شد. همچنین افزایش درصد نانوذرات اکسید روی باعث افزایش سازگاری زیستی نمونه‌ها گردید.
نتیجه‌گیری: ترکیب مناسب روش تهیه و میزان نانوذرات اکسید روی، می‌تواند خواص مکانیکی و زیستی هیدروژل‌های پلی‌وینیل الکل را بهبود دهد و این مواد را برای کاربردهای پزشکی و زیستی قابل‌توجه سازد.
کلیدواژه‌ها
هیدروژل نانوکامپوزیتی
پلی وینیل الکل
نانوذرات اکسید روی
انجماد-ذوب
سدیم کلراید-گلیسرول
کاربردهای زیستی
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of the Properties of PVA/ZnO Hydrogels Prepared by Different Methods for Biological Applications

نویسندگان English

Azin Paydayesh 1
Elnaz Farzin Far 2
Fatemeh Arabgol 3
1 Department of Chemical Engineering, Mahs.C, Islamic Azad University, Mahshahr, Iran
2 Department of Polymer Engineering, Amirkabir University of Technology, Mahshahr, Iran
3 Department of Chemical and Marerials, Materials and Polymer Engineering, Boein Zahra, Technical University, Boein Zahra, Qazvin, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives: Considering the increasing need for biocompatible materials in medicine, designing hydrogels with optimal mechanical and biological properties has become important. Polymeric hydrogels, such as polyvinyl alcohol, are widely used in medical applications due to their biocompatibility, high swelling capacity, and mechanical properties similar to those of body tissues. Incorporating nanoparticles, such as zinc oxide, can further enhance their properties. In this study, for the first time, the effect of different physical crosslinking methods and the addition of zinc oxide nanoparticles on the mechanical and biological properties of poly(vinyl alcohol) hydrogels was investigated.
Materials and Methods: Nanocomposite hydrogels containing different percentages of zinc oxide nanoparticles were prepared by two different physical methods, with and without a cross-linking agent. A combination of these two methods was also used. The morphology and structure of the hydrogels were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The mechanical properties and biocompatibility were evaluated by tensile testing and cell viability measurement for biological applications.
Results: The hydrogel containing 15% zinc oxide nanoparticles, prepared with the cross-linking agent and the freeze–thaw method, showed the highest tensile strength (37.5 MPa), elongation at break (55%), storage modulus (23 MPa), and cell viability (70%). The microscopic images and spectroscopy results indicated the formation of a strong hydrogel network and strong hydrogen bonds, which improved the mechanical and biological properties. In addition, increasing the percentage of zinc oxide nanoparticles enhanced the biocompatibility of the samples.
Conclusion: A suitable combination of the preparation method and the amount of zinc oxide nanoparticles can improve the mechanical and biological properties of poly(vinyl alcohol) hydrogels and make these materials suitable for medical and biological applications.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite hydrogel
Poly(vinyl alcohol)
Zinc oxide nanoparticles (ZnO)
Freeze–thaw
Sodium chloride–glycerol
Biological applications
  1. Bercea M. Recent advances in poly(vinyl alcohol)-based hydrogels. Polymers. 2021;16(14):2021. https://doi.org/10.3390/polym16142021
  2. Chamkouri H, Chamkouri M. A review of hydrogels, their properties and applications in medicine. Am J Biomed Sci Res. 2021;11(6):485-493. https://doi.org/10.34297/AJBSR.2021.11.001682
  3. Darwis D. Role of radiation processing in production of hydrogels for medical applications. Atom Indonesia. 2009;35(2):85-104. https://doi.org/10.17146/aij.2009.12
  4. Giannouli P, Morris E R. Cryogelation of xanthan. Food Hydrocolloids. 2003;17(4):495-501. https://doi.org/10.1016/S0268-005X(03)00019-5
  5. Gulrez SKH, Al-Assaf S, Phillips GO. Hydrogels: methods of preparation, characterisation and applications. In: Carpi A, editor. Progress in Molecular and Environmental Bioengineering – From Analysis and Modeling to Technology Applications. Rijeka (Croatia): IntechOpen; 2011. p. 117-150. https://doi.org/10.5772/24553
  6. Gupta S, Goswami S, Sinha A. A combined effect of freeze-thaw cycles and polymer concentration on the structure and mechanical properties of transparent PVA gels. Biomed Mater. 2012;7(1):015006. https://doi.org/10.1088/1748-6041/7/1/015006
  7. Hamidi M, Azadi A, Rafiei P. Hydrogel nanoparticles in drug delivery. Adv Drug Deliv Rev. 2008; 60(15):1638-1649. https://doi.org/10.1016/j.addr.2008.09.004
  8. Muangsri R, Chuysinuan P, Thanyacharoen T, Techasakul S, Ummartyotin S. Utilization of freeze thaw process for sodium alginate and polyvinyl alcohol-based hydrogel composite. J Met Mater Miner. 2022;32(2):34-41. https://doi.org/10.55713/jmmm.v32i2.1257
  9. Părpăriţă E, Cheaburu-Yılmaz C N, Paţachia S, Vasile C. Polyvinyl alcohol/chitosan/montmorillonite nanocomposites preparation by freeze/thaw cycles and characterization. Acta Chem Iasi. 2014;22(2):75-96. https://doi.org/10.2478/achi-2014-0007
  10. Parsa P, Paydayesh A, Davachi S M. Investigating the effect of tetracycline addition on nanocomposite hydrogels based on polyvinyl alcohol and chitosan nanoparticles for specific medical applications. Int J Biol Macromol. 2019;121:1061-1069. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.10.074
  11. Paydayesh A, Heleil L, Sh Dadkhah A. Preparation and application of poly(hydroxyl ethyl methacrylate) nanocomposite hydrogels containing iron oxide nanoparticles as wound dressing. Polym Polym Compos. 2022;30(10):1369-1381. https://doi.org/10.1177/09673911211063106
  12. Paydayesh A, Soltani S, Sh Dadkhah A. Preparation and evaluation of polyvinyl alcohol hydrogels with zinc oxide nanoparticles as a drug controlled release agent for a hydrophilic drug. J Polym Eng. 2023;43(7):584-593. https://doi.org/10.1515/polyeng-2023-0011
  13. Puttawibul P, Benjakul S, Meesane J. Freeze-thawed hybridized preparation with biomimetic self-assembly for a polyvinyl alcohol/collagen hydrogel created for meniscus tissue engineering. J Biomimetics, Biomaterials and Biomedical Engineering. 2014; 21:17-33. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JBBBE.21.17
  14. Farzinfar E, Paydayesh A. Investigation of polyvinyl alcohol nanocomposite hydrogels containing chitosan nanoparticles as wound dressing. Int J Polymeric Mater Polymeric Biomaterials. 2019;68(11):628-638. https://doi.org/10.1080/00914037.2018.1482468
  15. Saini T, Meena J, Verma V, Saini S, Malik R. Polyvinyl Alcohol: Recent Advances and Applications in Sustainable Materials. Polym-Plast Technol Mater. 2024;63(15):1757-1788. https://doi.org/10.1080/25740881.2024.2438046
  16. Stammen J A, et al. Mechanical properties of a novel PVA hydrogel in shear and unconfined compression. Biomaterials. 2001;22(8):799-806. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(00)00248-2
  17. Khalilipour A., Paydayesh A. Characterization of polyvinyl alcohol/ZnO nanocomposite hydrogels for wound dressings. J. Macromol. Sci., Part B: Phys. 2019, 58, 371–384. https://doi.org/10.1080/00222348.2018.1560936
  18. Tavakoli J, Gascooke J R, Xie N, Tang B Z, Tang Y. Enlightening freeze–thaw process of physically cross-linked poly(vinyl alcohol) hydrogels by aggregation-induced emission fluorogens. ACS Appl Polym Mater. 2019;1(6):1390-1398. https://doi.org/10.1021/acsapm.9b00173
  19. Waqar MA, Mubarak N, Khan AM, Shaheen F, Mustafa MA, Riaz T. Recent advances in polymers, preparation techniques, applications and future perspectives of hydrogels. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2025;74(4):265-284. https://doi.org/10.1080/00914037.2024.2335163
  20. Chen L, Zhang Y, Wang X, Liu H, Li J. Hydrophilic and absorption properties of reversible nanocomposite polyvinyl alcohol hydrogels reinforced with graphene-doped zinc oxide nanoplates. J Mater Sci. 2022;57(12):6345-6358. https://doi.org/10.1007/s10853-022-06984-7
  21. Asadpour S, Raei M, Jafari A, Kargar F, Saber-Samandari S. A review on zinc oxide/poly(vinyl alcohol) nanocomposites: Synthesis, characterization and applications. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2022;71(15):1123-1140. https://doi.org/10.1080/00914037.2021.1941956
  22. Tsou CH, Zhao J, Yuan S, De Guzman M, Zeng W, Yang T. Characterization and properties of polyvinyl alcohol/zinc oxide nanocomposite hydrogels. J Polym Res. 2022;29(4):127-138. https://doi.org/10.1007/s10965-022-02976-4
  23.  Chen H, Wu Z, Li X, Wang Y, Liu S. Enhanced mechanical properties of PVA/ZnO nanocomposite hydrogels for biomedical applications. J Mech Behav Biomed Mater. 2024;149:106245-106255. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2023.106245

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 29 فروردین 1405

تحت نظارت وف بومی