سدیم آلژینات یک پلیمر آنیونی طبیعی است که معمولاً از جلبک دریایی قهوه‌ای به دست می‌آید. و از آن در تهیه هیدروژل استفاده می گردد.
هیدروژل شبکه‌ی پلیمری کراس لینک شده (دارای اتصال عرضی) متورم از آب است که از واکنش ساده یک یا چند مونومر تولید می‌شود. قابلیت هیدروژل‌ها در جذب آب، از گروه‌های عاملی آبدوست متصل به backbone پلیمری ناشی می‌شود در حالی که مقاومت آن‌ها در برابر انحلال، به دلیل کراس لینک بین زنجیره‌های شبکه است.
این پلیمر از اسیدهای مانورونیک (M) و گولورونیک (G) تشکیل شده است که در ترکیب‌های مختلف به شکل بلوک‌های غنی از واحدهای M یا G یا بلوک‌هایی از واحدهای G و M متناوب چیده می‌شوند (شکل 1).
زمانی که کاتیون‌های دوظرفیتی Ca2+ حضور دارند، اسیدهای گولورونیک از زنجیره‌های مجاور کراس لینک یونی ایجاد می‌کنند که به شکل هیدروژل آلژینات در میآیند. نسبت واحدهای M و G ویژگی‌های فیزیک وشیمیایی هیدروژل را مشخص میکند.
شکل1: ساختار مولکولی سدیم آلژینات
کاربردهای سدیم آلژینات
سدیم آلژینات به دلیل ویژگی‌هایی همچون زیست‌سازگاری، سمیت کم، هزینه نسبتاً کم، و توانایی ژل‌شدن به صورت خفیف، در بسیاری از غذاها و کاربردهای زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صنایع غذایی، آلژینات به عنوان ضخیم‌کننده، ژل‌کننده، امولسیفایر، بهبود دهنده بافت و تثبیت‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این پلیمر امروزه به صورت گسترده در تولید محصولاتی نظیر بستنی، ژله، نوشیدنی‌های شیر اسیدی، سس‌ها، نودل‌های فوری، آبجو و سایر محصولات غذایی کاربرد دارد.
در کاربردهای دارویی، آلژینیک اسید به عنوان غلیظ‌کننده و نگهدارنده رطوبت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده به عنوان یک حامل نیز در تسریع فرآیند تجزیه قرص‌ها برای آزادسازی سریعتر مواد دارویی به کار می‌رود. به عنوان مثال، آلژینات با ایجاد یک شبکه ژل، به حفظ رنگ رژ لب روی سطح لب کمک میکند.
هیدروژل‌های مبتنی بر آلژینات کاندیدهای بسیار امیدوارکننده‌ای برای سیستم‌های دارورسانی و به عنوان ایمپلنت‌های زیست پزشکی هستند؛ زیرا، از نظر ساختاری شبیه به اجزای ماکرومولکولی بدن می‌باشند و اغلب میتوانند به صورت کم‌تهاجمی به بدن منتقل شوند.
آلژینات یک کاندید عالی برای تحویل داروهای پروتئینی است؛ زیرا، پروتئینها را میتوان در فرمولاسیون‌های آلژیناتی، تحت شرایط نسبتا ملایم که دناتوره شدن پروتئینها را به حداقل می‌رساند، ترکیب کرد و ژل‌ها میتوانند از پروتئینها از زمان تخریب تا آزاد شدن محافظت کنند.
ژل سدیم آلژینات به صورت فزاینده در مطالعات زیست‌پزشکی به عنوان یک سیستم مدل برای کشت سلولی پستانداران مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ژل‌ها را میتوان به آسانی به عنوان سیستم‌های کشت سه بعدی، دو بعدی یا حتی سیستم‌های فیزیولوژیکی مناسب‌تر تطبیق داد.
فقدان گیرنده‌های سلولی پستانداران برای آلژینات، به این مواد این امکان را میدهد که به عنوان یک لوح خالی ایده‌آل عمل کنند که روی آن میتوان به صورت بسیار خاص و کمیت‌گرایانه حالت‌های متنوعی را برای چسبندگی سلولی اضافه کرد.
علاوه بر این، به دلیل زیست‌سازگاری و ورود آسان آلژینات به بدن، میتوان یافته‌های اساسی کشف شده با مطالعات آزمایشگاهی را به آسانی به حالت بالینی تعمیم داد.
فرآیند ژل شدن آلژینات
هیدروژل‌های آلژینات را میتوان با روش‌های مختلف cross-linking (پیوند عرضی متقابل) تهیه کرد. شباهت ساختاری آن‌ها به ماتریس‌های خارج سلولی بافت‌های زنده، کاربردهای گسترده‌ای از آن‌ها را ممکن می‌سازد.
رایج‌ترین روش برای تهیه هیدروژل از محلول آلژینات آبی، ترکیب محلول با عوامل کراس لینک یونی، از جمله کاتیون‌های دو ظرفیتی (مانند Ca2+) است. کلرید کلسیم (CaCl2) یکی از پرکاربردترین عوامل برای کراس لینکینگ آلژینات است. با این حال، معمولاً به دلیل حلالیت بالای آن در محلول‌های آبی، منجر به ژل شدن سریع و ضعیف می‌شود.
یکی از راه‌حل‌های کنترل و آهسته کردن فرآیند ژل‌سازی، استفاده از بافرهای حاوی فسفات (مانند هگزامتافسفات سدیم) است. گروه‌های فسفات در بافر با گروه‌های کربوکسیلات آلژینات، در واکنش با یون‌های کلسیم رقابت می‌کنند و ژل‌شدن را به تاخیر می‌اندازند.
سولفات کلسیم (CaSO4) و کربنات کلسیم (CaCO3) به دلیل حلالیت کم‌تر، میتوانند سرعت ژل‌شدن را کاهش دهند و زمان کار ژل‌های آلژینات را افزایش دهند.
سرعت ژل شدن یک فاکتور حیاتی در کنترل یکنواختی و استحکام ژل در هنگام استفاده از کاتیون های دو ظرفیتی است. ژل‌شدن آهسته‌تر می‌تواند یکپارچگی مکانیکی بیشتر و ساختارهای یکنواخت را ایجاد کند. در نهایت، هیدروژل‌های حساس به دما تا به امروز در بسیاری از کاربردها بررسی شده‌اند؛ زیرا، تورم قابل تنظیم آن‌ها در پاسخ به تغییرات دما، تعدیل آزادسازی دارو از ژل را بر اساس نیاز فراهم میکند.
ذرات میکرو آلژینات
ذرات مبتنی بر سدیم آلژینات به دلیل خواص ذاتی خود، از جمله زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری خوب، به عنوان یک پلتفرم جذاب و پرطرفدار در زمینه تحویل داروها ظاهر شده‌اند. این ذرات تحویل بهتر، پایداری و رهایش طولانی مدت داروهای کپسوله شده را تسهیل می‌کنند.
آن‌ها به طور گسترده برای کپسوله کردن سلول های زنده در تحقیقات دارویی، مهندسی بافت و پزشکی بازساختی استفاده می‌شوند. چنین میکروژل‌هایی به‌عنوان واحدهای کشت سه‌بعدی در ابعاد میکرومتری عمل می‌کنند و به سلول‌های منفرد اجازه می‌دهند تا به طور مستقل مانیتور یا دستکاری شوند.
تاکنون روش‌های زیادی در مطالعات برای تولید میکروذرات آلژینات سدیم استفاده شده است. پرکاربردترین روش‌ها عبارتند از: چکه کردن ساده، پتانسیل الکترواستاتیکی، نازل ارتعاشی، برش جت، دیسک چرخشی، نازل چرخشی، نازل اسپری، امولسیون سازی و Microfluidics.
سیستم‌های میکروفلویدیک، قابلیت کنترل دقیق اندازه قطرات میکروژل را امکان‌پذیر می‌کنند و امکان تولید میکروژل‌های mono dispersed با توزیع اندازه مشخص را برای کپسوله کردن مواد زیستی در زمینه زیست‌شناسی مولکولی، دارویی، بهداشتی، غذایی و لوازم آرایشی فراهم کنند.
شکل 2: ریزذرات آلژینات که با استفاده از تکنیک میکروفلوئیدیک تهیه شده است.
در واقع، تلاش زیادی برای تولید انواع مختلف قطرات و ریز ذرات هیدروژل آلژینات انجام شده است (شکل 2). به عنوان مثال، Huang و همکاران، تولید قطرات آلژینات را با استفاده از هندسه اتصال T نشان دادند، اما توزیع دووجهی حاصل، نیازمند یک مرحله اضافی از جداسازی بود.
تحقیقات زیادی بر روی ژل شدن کنترل شده میکروذرات با استفاده از نانوذرات کربنات کلسیم (CaCO3) انجام شده است. در این فرآیند، ذرات نامحلول در آب در محلول آلژینات پراکنده می‌شوند و پس از تشکیل قطره، میتوانند در شرایط اسیدی حل شوند. این روش از ژل‌شدن زودرس جلوگیری میکند و ذرات mono dispersed ایجاد می‌شوند.
با این حال، انحلال ذرات جامد نمک کلسیم باعث توزیع ناهمگن یون‌های کلسیم در داخل قطرات می‌شود و همگنی ذرات حاصل را کاهش میدهد. علاوه بر این، مسدود شدن کانال‌های کوچک میکروفلوئیدیک در حضور ذرات، دامنه ابعاد میکروژل قابل دسترسی را محدود میکند.
تکنیک‌های دیگر شامل آغاز فرآیند کراس لینکینگ با تحویل کلریدهای کلسیم یا ذرات استات از طریق فاز روغن است که در ادامه در قطرات امولسیون آلژینات سدیم حل می‌شوند و یون‌های کلسیم را آزاد می‌کنند که ژل شدن را آغاز می‌کنند.با این حال، این روش ممکن است مشکلات مشابهی همچون توزیع ناهمگن کلسیم یا مشکلات انسداد را داشته باشد.
روش دیگری که مورد بررسی قرار گرفته است، تولید میکروژل‌های آلژینات سدیم از طریق ادغام قطرات جداگانه حاوی آلژینات و کلرید کلسیم است. با این حال، اختلاط در داخل قطرات به هم پیوسته، همچنان منجر به ذرات ناهمگن می‌شود، زیرا پیش از توزیع همگن یون‌های کلسیم، کراس لینکینگ اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، ادغام به طور کلی باعث افزایش حجم نهایی میکروژل‌های آلژینات می‌شود.
برای تولید ذرات میکروژل بسیار یکنواخت به شکل پنکیک و کپسوله کردن آنتی بادیها، Mazutis و همکارانش، تراشه خاصی را طراحی کردهاند که در آن جریانی از محلول آلژینات سدیم از محلول کلسیم، با جریانی از آب جدا می‌شود (شکل 3). این سه جریان همگی در قطراتی که فرآیند ژل شدن در آن انجام می‌شود، مخلوط می شوند. با این حال، تنظیم هر سه جریان به شیوهای مناسب برای جلوگیری از ژل شدن در کانالها قبل از تولید قطرات، بسیار دشوار است.
شکل 3. طراحی و عملکرد تراشه میکروفلوئیدیک. این دستگاه از سه ورودی برای پیش ساز پلیمری (مانند آلژینات) (1)، فاز آب(2)، آغازگر (مانند CaCl2) (3)، فاز پیوسته (4) و خروجی جمع آوری (5) تشکیل شده است. کانال‌های فازهای پراکنده و پیوسته در یک کانال واحد (مربع قرمز) ادغام می‌شوند، جایی که تولید قطرات صورت می‌گیرد.
برای ساخت میکرو ذرات سدیم آلژینات mono dispersed با همگنی ساختاری و کپسوله کردن سلول‌های پستانداران، Utech و همکارانش، روشی جدید برای انتقال یون‌های کلسیم به قطرات آلژینات به صورت یک کمپلکس محلول در آب کلسیم-اتیلن دی آمین تترا استیک اسید (کلسیم–EDTA) پیشنهاد داده‌اند.
با شلاته کردن یون‌های کلسیم با EDTA، یون‌ها در محلول باقی می‌مانند اما به زنجیره‌های آلژینات دسترسی ندارند. در این‌جا میکروقطرات همگن با ترکیبی از آلژینات و یون‌های کلسیم شلاته شده در کانال‌های میکروفلوئیدی ایجاد می‌شوند. تنها با افزودن اسید استیک به فاز پیوسته، واکنش با آزاد شدن یون‌های کلسیم آغاز می‌شود.
یون‌های آزاد با زنجیره‌های آلژینات به شیوهای کنترل شده واکنش می‌دهند و میکروذرات آلژینات با یکنواختی ساختاری عالی ایجاد می‌شوند. جداسازی تشکیل قطره و کراس لینکینگ، مشکل انسداد را برطرف میکند و میکروذرات آلژینات با توزیع اندازه بسیار باریک، بدون نیاز به تراشه‌های میکروفلوئیدی خاص تولید می‌شوند.
نتیجه گیری
سدیم آلژینات یک ماده پلیمری کراس لینک شده طبیعی، غیرسمی و متورم با آب است که در بسیاری از کاربردهای مختلف از افزودنی‌ها در غذا و نوشیدنی‌ها تا کاربردهای علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
امکان کنترل فرآیند ژل‌شدن با تغییر نحوه برهمکنش یون‌های کلسیم با پلیمرهای آلژینات، تولید ذرات آلژینات به شکل خاص و با یکنواختی بالا را ممکن می‌سازد. سپس این ذرات میتوانند برای کپسوله کردن سلول یا تهیه ساختار سه‌بعدی و همچنین کپسوله کردن و آزادسازی کنترل شده دارو استفاده شوند.
امینبیک سدیم آلژینات با کیفیت بالا جهت استفادهای مختلف را ارائه میدهد.
با AMINBIC به روز بمانید…
تهیه و تنظیم از:
- سویل راجی
- مهسا سبزی خباز
