توصيفگر ها :
هيدروژل حساس به pH , نانوالياف هيدروژلي , رنگينه شناساگر , پانسمان زخم هالوكروميك
چكيده فارسي :
مديريت مؤثر زخم، بهويژه با تشخيص بهموقع عفونتها و نظارت مستمر بر وضعيت زخم، نقشي حياتي در بهبود وضعيت بيماران ايفا ميكند. در اين پژوهش، با هدف توسعه پانسماني هوشمند با قابليت تشخيص بصري عفونت و رهايش كنترلشده دارو، از بسترهاي هيدروژلي و نانوالياف هيدروژلي با ساختار شبكهاي درهمنفوذكننده (IPN) و رنگينههاي حساس به pH بهرهگيري شد. ابتدا سه نوع هيدروژل شفاف و فسفاتمحور با قابليت حساسيت به pH سنتز گرديد و ويژگيهايي نظير مورفولوژي، رفتار تورمي و پايداري آنها مورد بررسي قرار گرفت. نتايج حاصل از آزمون تورم نشان داد كه تمامي هيدروژلها از نوع هيدروژلهاي حساس به pH از نوع كاتيوني محسوب ميشوند؛ بهطوريكه در محيط اسيدي متورم و در محيط بازي منقبض ميشوند. با اين حال، Gel-B نسبت به Gel-A حساسيت كمتري نشان داد؛ بهگونهاي كه تورم Gel-B در pH اسيدي حدود 40% كمتر از Gel-A و در pH بازي حدود 200% بيشتر بود كه اين افزايش به حضور گروههاي هيدروكسيل نسبت داده شد. هر دو نمونه Gel-A و Gel-B در محيطهاي اسيدي و بازي از پايداري مناسبي برخوردار بودند، اما Gel-C در pH برابر 10 پس از 6 ساعت بهطور كامل حل شد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) نشان داد كه Gel-A داراي ساختار متخلخل با منافذ بزرگ بوده، در حاليكه Gel-B ساختاري صفحهاي با ديوارههاي ضخيم دارد. نتايج حاصل از بررسي سميت و تنش سلولي نشان داد كه هيدروژلهاي سنتزي از زيستسازگاري مطلوبي برخوردار بوده و فاقد خاصيت تحريكزايي هستند. در ادامه، بهمنظور ارزيابي ويژگيهاي مكانيكي اين هيدروژلها، آزمون استحكام فشاري انجام شد. نتايج اين آزمون نشان داد كه هيدروژل Gel-A از شكنندگي بالايي برخوردار است، بهطوريكه ميزان تنش فشاري آن حدود 14 كيلوپاسكال اندازهگيري شد. در مقابل، هيدروژل Gel-B عملكرد مكانيكي بسيار بهتري از خود نشان داد و با افزايش حداقل 16 برابري، تنش فشاري قابلتوجهي را تحمل كرد. بهمنظور ارتقاء قابليت كاربردي و سهولت استفاده از اين هيدروژلها بهعنوان پانسمان زخم، در مرحله بعد، بسترهاي نانوليفي هيدروژلي با ساختار Full-IPN از پليوينيل الكل (PVA) زيستسازگار و مونومرهاي تشكيلدهنده Gel-A و Gel-B از طريق فرآيند الكتروريسي تهيه شدند. بهمنظور ايجاد اتصالات عرضي شيميايي در PVA، از اسيد سيتريك بهعنوان عامل كراسلينككننده سبز و غيرسمي همراه با عمليات حرارتي استفاده شد. افزايش نسبت Gel-A به PVA موجب افزايش تدريجي قطر نانوالياف هيبريدي شد؛ بهطوريكه در نسبت 1:1، قطر نانوالياف تقريباً دو برابر شد كه بيانگر حضور مؤثر Gel-A در ساختار نانواليافي است. در مقابل، تغييرات قطر در نمونههاي PVA/Gel-B مشاهده نشد كه به مهاجرت سطحي منومرها و تشكيل هيدروژل در سطح نانوالياف نسبت داده ميشود. آزمون BET كاهش حجم حفرات و سطح مخصوص نانوالياف هيدروژلي با ساختار Full-IPN را نسبت به نمونههاي PVA تأييد كرد؛ نتايجي كه با تصاوير SEM نيز همخواني دارد. همچنين، آزمون زتاي پتانسيل سطحي نشان داد كه نانوالياف داراي شبكه دوگانه رفتار كاتيونيك-آنيونيك دارند، در حاليكه نانوالياف PVA رفتار آنيوني از خود نشان دادند. بهمنظور توسعه يك سامانه بصري پايدار براي تشخيص سريع عفونت، از رنگينههاي حساس به pH در محدوده فيزيولوژيكي پوست و زخمهاي عفوني استفاده شد. در اين راستا، دو رويكرد مورد بررسي قرار گرفت: در روش نخست، رنگينههاي داراي گروه 2-هيدروكسياتيلسولفونيل (GJM-492 و 1H3S) بهصورت كووالانسي در بسترهاي نانوليفي تثبيت شدند. در روش دوم، از رنگينه برموتيمول بلو (BTB) بهره گرفته شد و بهمنظور جلوگيري از خروج آن از بستر نانوليفي، عامل كمپلكسكننده كاتيوني پليديآليلديمتيلآمونيوم كلرايد (PDADMAC) بهكار گرفته شد. سپس، رفتار هالوكروميك بسترهاي نانوليفي در محدودههاي مختلف pH مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد بسترهاي رنگي با حفظ رنگينه در ساختار نانوليفي، تغييرات pH زخم را بهصورت بصري تشخيص داده و اطلاعات مؤثري ارائه ميدهند؛ بنابراين گزينهاي مناسب براي پانسمانهاي هوشمند تشخيصي هستند.
چكيده انگليسي :
Effective wound management plays a vital role in enhancing patient outcomes, especially through the early detection of infections and continuous monitoring of wound conditions. In response to this clinical imperative, the present study synthesizes two novel hydrogel formulations and fabricates nanofibrous hydrogel matrices functionalized with indicator dyes. To achieve this, three transparent, pH-responsive phosphate-based hydrogels were initially synthesized. Their physicochemical properties including morphological characteristics, swelling behavior, mechanical properties, and in vitro cytocompatibility, were evaluated. Swelling tests showed that all hydrogels exhibited cationic pH sensitivity, swelling in acidic conditions and contracting in alkaline environments. Gel-B demonstrated lower sensitivity than Gel-A; its swelling in acidic pH was about 40% less than Gel-A, whereas in alkaline pH, it swelled approximately 200% more, likely due to the presence of hydroxyl groups. Both Gel-A and Gel-B maintained good stability in acidic and alkaline media, unlike Gel-C, which completely dissolved after 6 hours at pH 10. Scanning electron microscopy (SEM) revealed Gel-A possessed a porous structure with large pores, while Gel-B had a layered morphology with thick walls. Cytotoxicity and cell stress assays confirmed the hydrogelsʹ biocompatibility and non-irritating nature. Mechanical testing indicated Gel-A was brittle with compressive stress around 14 kPa, while Gel-B showed significantly enhanced mechanical strength, tolerating at least 16 times higher stress. To improve usability as wound dressings, hydrogel nanofiber matrices with Full-IPN structures were fabricated via electrospinning using biocompatible polyvinyl alcohol (PVA) and the monomers from Gel-A and Gel-B. Citric acid served as a green, non-toxic crosslinker for PVA, activated by thermal treatment. FTIR spectroscopy confirmed incorporation of Gel-A and Gel-B within the nanofibers, and DSC analysis showed successful formation of a dual polymer network. Increasing the Gel-A to PVA ratio led to a progressive increase in nanofiber diameter, nearly two times at the 1:1 ratio, indicating effective Gel-A integration. In contrast, PVA/Gel-B samples showed no significant diameter change, due to surface migration of monomers and hydrogel formation on fiber surfaces. BET analysis confirmed decreased pore volume and specific surface area in Full-IPN nanofibrous hydrogels compared to pure PVA, consistent with SEM images. Zeta potential measurements indicated that dual-network nanofibers exhibited cationic-anionic behavior, whereas PVA nanofibers were purely anionic. These results matched swelling behavior and confirmed the nanofibers’ distinct chemical structures. For stable, rapid visual infection detection, pH-sensitive dyes responsive within the physiological pH range of skin and infected wounds were applied using two methods. First, dyes containing 2-hydroxyethylsulfonyl groups (GJM-492 and 1H3S) were covalently immobilized onto nanofiber substrates through conversion of the sulfonyl group to reactive vinyl sulfone, which then bonded with hydroxyl and amine groups on the fibers. Second, bromothymol blue (BTB) was incorporated into the hydrogel matrix and immobilized through ionic interaction with the cationic complexing agent poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC), effectively minimizing dye leaching. The halochromic behavior of these substrates was tested across a range of pH values, demonstrating their ability to visually detect pH changes. These systems operate through visible color changes and securely retain the dyes within the nanofiber matrix. They offer clear, real-time insights into wound conditions, making them as promising tools for smart diagnostic wound dressings.