بکارگیری هیدروژل ها برای احیا غضروف ها، از پلی ساکارید ها تا هیدروژل های مخلوط

Hydrogels for Cartilage Regeneration, from Polysaccharides to Hybrids

چکیده
1- مقدمه : روش های فعلی بالینی و نیاز برای توسعه ی روش های جدید
2- هیدروژل ها در بازسازی های بالینی
2-1- چارچوب های هیدروژل بدون سلول
2-2- چارچوب های هیدروژل همراه با سلول
3- پلی ساکارید ها در مقایسه با هیدروژل های ترکیبی
3-1- تکنیک های تولید و تاثیر آن ها بر روی ویژگی های هیدروژل ها
3-2- جنبش شناسی تخریب، ویژگی های فیزیکی ( قابلیت کاربرد) و تاثیرات زیستی
3-3- ویژگی های هیدروژل های مبتنی بر پلی ساکارید ها
3-4- پاسخ های زیستی هیدروژل های مبتنی بر پلی ساکارید ها
4- گرایش های آتی : از ترکیب مواد تا هیدروژل های ترکیبی
5- نکات جمع بندی
منابع

چکیده

هدف این مقاله : 1) مرور کردن جدید ترین موضوعات در زمینه ی جایگزین کردن غضروف ها و بازسازی آن ها ؛ 2) ارزیابی کردن زیست مواد ثبت شده ی فعلی که در مرحله های پیش بالینی و بالینی مورد استفاده قرار می گیرد ؛ 3) ارزیابی کردن پتانسیل استفاده از هیدروژل های پلیمری برای این کاربرد ها و دلایل محدودیت موفقیت بالینی آن ها می باشد. مطالعه های دیگر در رابطه با هیدروژل هایی که از آن ها به عنوان مواد زیستی شده است، در این مرور مورد استفاده قرار می گیرند و در دو گرایش اصلی در مهندسی بافت تقسیم شده است : 1) استفاده از مواد زیستی بدون سلول ؛ و2) استفاده از مواد زیستی همراه با سلول های طبیعی داخل آن ها. تکنیک های آماده سازی و ویژگی های ایجاد شده در هیدروژل ها نیز در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است . پیشنهاد های اخیر که بر اساس ترکیب پلیمر های مختلف و روند های ترکیبی هستند تا بتوانند موجب بهبود ویژگی این مواد شوند هم مورد بررسی قرار گرفته اند. ترکیب المان هایی مانند چهارچوب های سلولی ( قاب های سلولی) ، ماتریس ها ( قسمت های مبتنی بر هیدروژل ها)، عامل های رشد و تحریک های مکانیکی در این قسمت برای بهینه سازی کردن ویژگی مواد مورد نیاز برای تسهیل شکل گیری بافت، بازسازی غضروف و در نتیجه کاربرد نهایی مورد نیاز می باشند. ترکیب های پلیمر ها و مواد ترکیبی ، امید بخش ترین مواد برای این کاربرد هستند. چارچوب های ترکیبی می توانند منجر به حداکثر شدن رشد و ادغام محلی بافت با شکل گیری بافت های شبه غضروف با ویژگی های زیست تقلیدی بشوند.

5- نکات جمع بندی

در حال حاضر هیچ گونه راه حل مفید بالینی برای بازسازی غضروف وجود ندارد. به همین دلیل، ما باید روش های جدید و مواد جدیدی را ایجاد کنیم تا چارچوب های مناسب را طراحی کنیم که بتوان از آن ها برای بازسازی غضروف استفاده کرد. ارزیابی ها مبتنی بر چارچوب های هیدروژل بدون سلول بیشتر بر روی بهینه سازی کردن ویژگی های مکانیکی و شیمیایی – فیزیکی این ماتریس ها متمرکز بوده است. اما، مطالعه های چارچوب های هیدروژل همراه با سلول ها بیشتر بر روی این موضوع متمرکز بوده است که آیا این چارچوب ها می توانند محیط های زیست شیمی و زیست مکانیکی مورد نیاز برای بقای سلول ها و بازسازی کردن غضروف های هیالینی با ماندگاری بالا فراهم کند یا خیر. به دلیل این که بسیاری از این ترکیب ها نه ضریب اصطکاک پایینی دارند و نه می توانند چرخه های مختلف بار را تحمل کنند، بسیاری از ترکیب ها از پلی ساکارید ها و هیدروژل های ترکیبی در این قسمت ارزیابی شده اند تا بتوان ویژگی های زیستی و مکانیکی مورد نیاز را مشابه با بافت های طبیعی به دست آورد. اما ، بعضی از مسئله ها هنوز حل نشده باقی مانده است که منجر می شود کاربرد این مواد در زمینه ی بالینی محدود شود : 1) سمی شدن بعضی از عامل های اتصال بین مولکول ها ؛ 2) کمبود یکپارچگی مکانیکی ؛ 3) کنترل ضعیف جنبش شناسی ژلاتینی ؛ 4) جنبش شناسی تخریب نامناسب

Abstract

The aims of this paper are: (1) to review the current state of the art in the field of cartilage substitution and regeneration; (2) to examine the patented biomaterials being used in preclinical and clinical stages; (3) to explore the potential of polymeric hydrogels for these applications and the reasons that hinder their clinical success. The studies about hydrogels used as potential biomaterials selected for this review are divided into the two major trends in tissue engineering: (1) the use of cell-free biomaterials; and (2) the use of cell seeded biomaterials. Preparation techniques and resulting hydrogel properties are also reviewed. More recent proposals, based on the combination of different polymers and the hybridization process to improve the properties of these materials, are also reviewed. The combination of elements such as scaffolds (cellular solids), matrices (hydrogel-based), growth factors and mechanical stimuli is needed to optimize properties of the required materials in order to facilitate tissue formation, cartilage regeneration and final clinical application. Polymer combinations and hybrids are the most promising materials for this application. Hybrid scaffolds may maximize cell growth and local tissue integration by forming cartilage-like tissue with biomimetic features.

5- Concluding Remarks

Currently, there are no clinical satisfactory solutions for cartilage tissue regeneration. From this problem, it raises the need for developing new types of materials and designing more suitable scaffolds which can be used for cartilage regeneration. Investigations based on cell-free hydrogel scaffolds have focused on the optimization of physical-chemical and mechanical properties of matrices. Whereas, cell-seeded hydrogel scaffold studies focus on whether or not they provide an appropriate biochemical and biomechanical environment for regenerating a long-lasting hyaline-type cartilage. Since many materials neither exhibit a low friction coefficient nor withstand several loading cycles, many combinations of polysaccharides and synthetic hydrogels have been assayed to obtain load-bearing and tribological properties similar to native cartilage tissue ones. However, some unsolved problems hinder the application of these materials to the clinic: (1) toxicity of some crosslinking agents; (2) lack of mechanical integrity; (3) poor control of gelation kinetics; (4) unsuitable degradation kinetics.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بکارگیری هیدروژل ها برای احیا غضروف ها، از پلی ساکارید ها تا هیدروژل های مخلوط

Hydrogels for Cartilage Regeneration, from Polysaccharides to Hybrids

مروری بر غشای پلیمری هیدروژل برای کاربرد پانسمان کردن زخم: پانسمان هیدروژل بر پایه PVA

A review on polymeric hydrogel membranes for wound dressing applications: PVA-based hydrogel dressings

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

 غشای پلیمری هیدروژل برای کاربرد پانسمان کردن زخم: پانسمان هیدروژل بر پایه PVA

A review on polymeric hydrogel membranes for wound dressing applications: PVA-based hydrogel dressings

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

چاپ سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای با توانایی فشرده سازی و ضریب الاستیک بالاتر از غضروف

3D Printing of a Double Network Hydrogel with a Compression Strength and Elastic Modulus Greater than those of Cartilage

خلاصه

1- مقدمه

2- مواد و روش ها

2-1- آماده سازی محلول های پیش ساز هیدروژل

2-2- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای

2-3- توصیف خواص مکانیکی

3- نتایج و بحث

3-1- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه

3-2- بهینه سازی ویسکوزیته محلول AMPS برای تهیه پرینت

3-3- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای

3-4- ویژگی تنشی هیدروژل دو شبکه ای

3-5- ویژگی های تراکم هیدروژل دو شبکه ای

3-6- مقایسه هیدروژل های سخت و غضروف گاوی پرینت شده سه بعدی

4- نتیجه گیری

محتوای مرتبط

منابع

چکیده

مقاله حاضر در خصوص استفاده از روش دو مرحله ای در پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای در دمای اتاق با استفاده از پرینتر ارزان قیمت (300 دلار) می باشد. مواد تشکیل دهنده اولین شبکه دارای قابلیت پرینت سه بعدی بوده که با خروج از نازل و افزودن سیلیکات لایه ای توانایی برش پیدا می کند. بعد از تهیه پرینت آن را در معرض UV قرار داده سپس در مواد تشکیل دهنده دومین شبکه غوطه ور می سازند. در ادامه با تابش مجدد UV شبکه متخلخلی از پلی 2- آکریل آمید -2- متیل پروپان سولفونات و پلی آکریل آمید بدست می آید. با تغییر در میزان پلی آکریل آمید نسبت به کراس لینکرها رابطه بین سفتی و بیشترین میزان کشیدگی ژل را می توان به گونه ای تنظیم کرد تا قدرت متراکم سازی (9/61 مگاپاسکال) و ضریب کشسانی (44/0 مگاپاسکال) حاصل شود که مقادیر آنها بیشتر از مقادیر گزارش شده برای غضروف گاوی می باشد. بیشترین میزان متراکم سازی (5/93 مگاپاسکال) و کشیدگی (4/1 مگاپاسکال) ژل دو برابر میزانی است که برای ژل های پرینت شده سه بعدی قبلی گزارش شده بود، همچنین با غوطه ور سازی ژل در آب شکل خود را از دست نمی دهد. با انجام پرینت سه بعدی منیسک های صناعی که از تصاویر اشعه X دستگاه CT و از مدل آناتومیکی آنها بدست آمده است، می توانیم ایمپلنت های هیدروژلی تهیه شده از تصاویر سه بعدی را در بیماران به کار ببریم.

4- نتیجه گیری

در مجموع این مطالعه روشی برای پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای ارائه داد که قدرت تراکم، قدرت تنشی و ضریب کشسانی بزرگتری نسبت به ژل های پرینت شده به صورت سه بعدی دارد. با تنظیم نسبت کراس لینکردر شبکه اول به مونومر آکریل آمید در شبکه دوم، امکان فرمولاسیون ژل با قدرت تراکم و سختی بزرگتر از غضروف گاوی را فراهم می کند. علاوه بر این، هیدروژل دو شبکه ای می تواند در دمای اتاق با پرینتر سه بعدی 300 دلاری پرینت شده و هیچ گونه تغییر شکلی پس از فرورفتن در آب به مدت 24 ساعت از خود نشان ندهد. این ژل جدید نشانگر یک فرصت برای طراحی ایمپلنت هیدروژل براساس تصویر توموگرافی بدست آمده از اشعه x خود بیمار می باشد. مطالعات بیشتر بهتر است رابطه بین مشخصات مکانیکی این ژل های پرینت شده و پتانسیل آنها برای رشد بافت غضروف را بررسی کنند.

Abstract

This article demonstrates a two-step method to 3D print double network hydrogels at room temperature with a low-cost ($300) 3D printer. A first network precursor solution was made 3D printable via extrusion from a nozzle by adding a layered silicate to make it shear-thinning. After printing and UVcuring, objects were soaked in a second network precursor solution and UV-cured again to create interpenetrating networks of poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate) and polyacrylamide. By varying the ratio of polyacrylamide to cross-linker, the trade-off between stiffness and maximum elongation of the gel can be tuned to yield a compression strength and elastic modulus of 61.9 and 0.44 MPa, respectively, values that are greater than those reported for bovine cartilage. The maximum compressive (93.5 MPa) and tensile (1.4 MPa) strengths of the gel are twice that of previous 3D printed gels, and the gel does not deform after it is soaked in water. By 3D printing a synthetic meniscus from an X-ray computed tomography image of an anatomical model, we demonstrate the potential to customize hydrogel implants based on 3D images of a patient’s anatomy.

4- CONCLUSIONS

In conclusion, this paper introduces a method to 3D print double network hydrogels that have a compression strength, tensile strength, and elastic modulus greater than any previous 3D printed gels. Tuning the ratio of the cross-linker in the first network to the acrylamide monomer in the second network allowed for the formulation of a gel with a compression strength and stiffness greater than that of bovine cartilage. In addition, the DN hydrogels could be printed at room temperature with a modified $300 3D printer and exhibited no deformation after soaking in water for 24 h. This new gel presents an opportunity to customize hydrogel implants based on X-ray computed tomography images of a patient’s own anatomy. Future work may examine the relationship between the mechanical properties of this printed gel and its potential to stimulate cartilage tissue growth.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

چاپ سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای با توانایی فشرده سازی و ضریب الاستیک بالاتر از غضروف

3D Printing of a Double Network Hydrogel with a Compression Strength and Elastic Modulus Greater than those of Cartilage

هیدروژل چیتین تقویت شده با نانوذرات TiO2 به عنوان یک جاذب آرسنیک

Chitin hydrogel reinforced with TiO2 nanoparticles as an arsenic sorbent

Abstract

In this work chitin hydrogels were reinforced with TiO2 nanoparticles acting as fillers. The mechanical and physicochemical characteristics of these hydrogels were studied by oscillatory rheology, infrared spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Small Angle X-ray Spectroscopy (SAXS). Adsorption showed to be higher at pHs below the TiO2 point of zero charge (pH ≈ 6.9). The equilibrium was achieved within 4 h following an Elovich kinetic model. The equilibrium assay showed a maximum capacity of 3.1 mg/g with better fitting for the Langmuir model. Moreover, the homogeneity/heterogeneity parameters of the Sips, Toth and Redlich–Peterson models were close to a value of 1, indicating a homogeneous sorbent/sorbate interaction. Typical natural water ions competed with As(V) for the sorption sites, being sulfate the most relevant interference. This interference was also evidenced in As(V) adsorption from natural water samples where the sorption capacity varied depending the anion composition of the sample. The reutilization of the hybrid gel was assessed up to five adsorption cycles.

1 Introduction

Arsenic presence in natural waters is a matter of concern in vast areas of Argentina, Chile, China, India, Bangladesh, among others countries. Arsenic water contamination is usually associated with non-urban zones where fast, easy application and low-cost answers are needed. With this aim several techniques have been studied, such as coagulation-coprecipitation, photocatalytic reduction, photocatalytic oxidation and adsorption using different materials [1–3].

Among As adsorbents, TiO2 has been studied in different formats and sizes, from nanoparticles to micrometric range granular particles [4–6]. It is a non-toxic compound used in pharmaceutic, cosmetic and biomedical products due to its biocompatibility [7]. However, the use of powdered TiO2 in aqueous media requires laborious separation to prevent the leakage of the particles [1,8]. In this aspect, the development of hybrid materials represents a novel strategy for the mechanical reinforcement and chemical stability of the sorbent and the prevention of the particle leakage. Examples of these hybrids are polyurethane–keratin membranes, Chitin–Kraft lignin, chitosan–sulfydryl bearing graphene oxide, sil ica–alginate–xanthan gum, etc [9–12].

In the last years, chitin based hybrids have enhanced their applicability as biomaterials thanks to novel manipulation techniques which have overcome the polysaccharide low solubility [13,14]. Chitin is a cheap polysaccharide that can be extracted from shrimp, crab shell, fungi, as well as other invertebrates such as marine sponges [15,16]. Being a waste material from food industry it is a low-cost biopolymer which is also biocompatible, biodegradable and non-toxic [7]. Although less expensive and chemically more stable in comparison with its derivative chitosan, literature still shows few approaches dedicated to pure chitin derived hydrogel materials. Most of these studies use the potentially toxic crosslinker epichlorohydrin for the obtaining of reinforced materials, such as chitin/poly(vinyl alcohol) or chitin/clay nanotubes [17,18]. Other approaches achieve the material final structure either by lyophilization or by reinforcement with high loads of graphene oxide [19–21].

The aim of this work was to combine two low-cost, non-toxic and biocompatible compounds for the obtaining of a chemically and mechanically stable arsenic adsorbent. Herein, a chitin hydrogel reinforced with TiO2 nanoparticles was developed for As(V) adsorption. Chitin and TiO2 nanoparticles were chosen based in their lower cost in comparison with other polysaccharides and metal nanoparticles and the latter’s high surface area and arsenic sorption capacity. The nanostructure of the composites was characterized using different spectroscopic techniques and the degree of reinforcement was assessed by a rheological analysis. The As (V) adsorption performance was evaluated by means of the influence of media pH, interaction time, sorption capacity, competing ions and reutilization. The sorption capacity was also assessed against natural water samples containing natural arsenic or spiked with known concentrations.

شبیه سازی عنصر محدود میکرو حسگرهای pH-ElecFET

Finite-element simulations of the pH-ElecFET microsensors

چکیده
1- مقدمه
2- ارائه مدل شبیه‌سازی
A- هندسه ElecFET: مقایسه میان مدل واقعی و مدل شبیه‌سازی‌شده
B- مدل‌سازی واکنش‌های الکتروشیمیایی (H_2 O و H_2 O_2)
C- مدل‌سازی پدیده پخش در آب
D- شرایط اولیه و مرزی
E- روش عددی
3- نتایج و بحث
A- حساسیت مش
B- مطالعه تأثیرات پارامترهای اصلی
C- مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- نتیجه‌گیری

چکیده

این مقاله یک مدل متقارن محوری دوبعدی در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics از یک میکرو سنسور PH-ElecFET (ترانزیستور تحت تأثیر میدان الکتروشیمیایی حساس به PH) ارائه می‌دهد. این دستگاه یک میکرو الکترود یکپارچه را با یک ترانزیستور تحت تأثیر میدان شیمیایی (PH-ChemFET) ترکیب می‌کند؛ بنابراین، در اثر پدیده تحریک الکترولیز بر میکرو الکترود یکپارچه، به لطف کنترل میکرو دستگاهPH-ChemFET، با تغییرات PH موضعی در میکرو حجم‌ها مرتبط می‌شوند. با احتساب واکنش‌های (الکترو) شیمیایی و پدیده پخش در فاز مایع، مدل پیشنهادی به نقش طراحی هندسی ElecFET (عرض میکرو الکترود w، شعاع مؤثر ورودیr_e و فاصله میان ورودی PH-ChemFET و میکرو الکترود d)، و همچنین پارامترهای قطبش، (ولتاژ قطبش V_p و زمان قطبش t_p)، بر پاسخ میکرو سنسور اشاره دارد. در ابتدا الکترولیز آبی به‌منظور صحت سنجی تغییرات آنی PH در میکرو حجم اعمال شد. سپس، اکسیداسیون هیدروژن پروکسید در حلال بافر فسفات (PBS,PH_0=7.2) موردبررسی قرار گرفت، که تشخیص پتانسیومتری H2 O2 را در محدوده غلظت [10-100mN] اثبات می‌کرد. این مدل توسعه‌یافته راه جدیدی را در کاربردهای سنسوری هموار نمود، که چند فرصت جدید برای دستگاه PH-ElecFET در تشخیص آنزیمی مولکول‌های زیستی H2 O2 فراهم می‌کند.

1- مقدمه

در دهه اخیر، میکرو سنسورهای الکتروشیمیایی در محدوده وسیعی از کاربردها مانند تشخیص بالینی، تجزیه‌وتحلیل مواد غذایی، کنترل زیست‌محیطی به دلیل هزینه کم، کاربرد آسان، اندازه کوچک، و سرعت، حساسیت و زمان سریع پاسخ، موردتوجه قرار گرفتند[1-3]. سنسورهای الکتروشیمیایی را بسته به سیگنال الکتریکی اندازه‌گیری شده می‌توان به سه دسته تقسیم نمود [4-6]: آمپرسنج، ولتاژسنج و رسانایی سنج. حتی، ترکیب تکنیک‌های آمپرسنجی و ولتاژ سنجی ازلحاظ تشخیص روشی خیلی نویدبخش است[7-10]. Diallo و همکارانش، میکرو سنسور ترانزیستوری تحت تأثیر میدان الکتروشیمیایی (ElecFET) را بر اساس این تکنیک ایجاد نمودند [8,9]. این دستگاه از طریق ادغام یک الکترود مسطح فلزی خاص اطراف سطح ورودی دی‌الکتریک یک میکرو دستگاه ChemFET حساس به PH به دست می‌آید. با تحریک واکنش الکتروشیمیایی در PH مربوطه، به قطبش میکرو الکترود کمک می‌کند و به لطف کنترل تغییرات PH به‌دست‌آمده در PH-ChemFET، پدیده الکترولیز و اندازه‌گیری PH تقریباً در مقیاس میکرو انجام می‌شود، که قابلیت تشخیص الکتروشیمیایی جدیدی را فراهم می‌سازد. در میان کاربردهای میکرو دستگاه ElecFET، رایج‌ترین کاربرد، ساخت سنسور آنزیمی PH سنج می‌باشد. در این مورد، ChemFETتغییرات PH ناشی از واکنش آنزیمی در غشایی که سنسور می‌پوشاند را تشخیص می‌دهد[11]. ولتاژ خروجی ChemFET جریان موجود را از طریق سیستم عملگر سنسوری کنترل می‌کند[12]. ElecFET به‌طور موفقیت‌آمیزی در تعیین غلظت اسید یا باز [13] استفاده شد، که باعث ایجاد گرما در سنسور کربن دی‌اکسید شده [14] و مولکول‌های زیستی مختلف را تشخیص می‌دهد [8,11].

4- نتیجه‌گیری

در این مقاله، ما مدل‌سازی میکرو دستگاه ElecFET را با احتساب انتقال جرم در نمونه‌های مختلف، واکنش الکتروشیمیایی روی الکترود و واکنش اسیدی/بازی در کوپل های (H3 O^+/H2 O) و (H2 O/OH^-)، بررسی نمودیم. روش pH-ElecFET برای کنترل الکترولیز آب پایه توسط ChemFET به کار گرفته شد و برای هیدروژن پروکسید به‌منظور تعیین تغییر ولتاژ آستانه (یعنی PH موضعی) بسط داده شد. تأثیر طراحی هندسی ElecFET، یعنی مشخصات عرض میکرو الکترود w، شعاع مؤثر ورودی r_e و فاصله میان شعاع مؤثر ورودی و میکرو الکترود d، همچنین پارامترهای قطبش، یعنی ولتاژ قطبش V_p، زمان قطبش t_p، بر روی رفتار پاسخ بررسی شد. تعیین تغییرات ناگهانی PH در میکرو حجم به‌وضوح به دست آمد و تشخیص پتانسیومتری هیدروژن پروکسید H2 O2 در محدوده غلظت [10-100mM]، به دست آمد. در آینده نزدیک، قصد داریم دستگاه ElecFET را برای تشخیص آنزیمی لاکتات و گلوکز در مختصات استوانه‌ای مدل‌سازی کنیم.

Abstract

This paper presents a COMSOL Multiphysics 2-D axisymmetric model of a pH-sensitive electrochemical field effect transistor (pH-ElecFET) microsensor. This device combines an integrated microelectrode with a pH-sensitive chemical field effect transistor (pH-ChemFET). Thus, by triggering electrolysis phenomena owing to the integrated microelectrode, associated local pH variations in microvolumes are monitored thanks to the pH-ChemFET microdevice. Taking into account (electro) chemical reactions and diffusion phenomena in the liquid phase, the proposed model points out the role of the ElecFET geometrical design (microelectrode width w, gate sensitive radius r e and distance between the pH-ChemFET gate and the microelectrode d), as well as polarization parameters, (polarization voltage V p and time t p ), on the microsensor response. It is first applied to water electrolysis in order to validate pH impulsional variations in microvolume. Then, the oxidation of hydrogen peroxide in phosphate buffer (PBS, pH 0 = 7.2) solutions is studied, evidencing the H 2 O 2 potentiometric detection in the [10-100 mM] concentration range. This developed model paves new ways for sensor applications, opening several new opportunities for pH-ElecFET devices for H 2 O 2 -related enzymatic detection of biomolecules.

I- INTRODUCTION

n the last decade, the electrochemical microsensors have received an increasing interest in a wide range of applications such as clinical diagnostics, food analysis, environmental monitoring due to their low cost, simple operation, small size, and rapidity, sensitivity and real-time [1- 3]. The electrochemical sensors can be divided into three groups depending on the measured electrical signal [4-6]: amperometric, potentiometric, and conductometric. Even so, the combination of amperometric and potentiometric techniques is a very promising method in terms of detection [7-10]. Diallo et al. have developed an electrochemical field effect transistor (ElecFET) microsensor based on this technique [8, 9]. This device is achieved through the integration of a planar noble metal electrode around the dielectric gate area of a pH-sensitive ChemFET microdevice. By triggering pH-related electrochemical reactions thanks to the microelectrode polarization and by monitoring the so obtained pH variations thanks to the pH-ChemFET, electrolysis phenomena and pH measurement are closely embedded at the microscale, enabling new electrochemical detection potentialities. Among the ElecFET microdevice applications, the most frequent is the manufacturing of a pHrelated enzyme sensor. In this case, the ChemFET detects the pH change resulting from the enzymatic reaction in the membrane that covers the sensor [11]. The output voltage of the ChemFET controls the current flowing through the sensoractuator system [12]. ElecFET has been successfully used to determine acid or base concentration [13], to form the heart of a carbon dioxide sensor [14] and detect different biomolecules [8, 11].

IV- CONCLUSION

In this study, we have investigated the modelling of the ElecFET microdevice, taking into account the mass transport for different species, electrochemical reactions on the microelectrode and acid/basic reactions for couples (H3O + /H2O) and (H2O/OH- ). The pH-ElecFET techniques were used for monitoring the water-based electrolysis by pHChemFET and extended to the hydrogen peroxide in order to obtain the threshold voltage (i.e local pH) variation. The influence of the ElecFET geometrical design, i.e. characteristic width of the microelectrode w, gate sensitive radius re and distance between the gate sensitive radius and the microelectrode d, as well as polarization parameters, i.e. polarization voltage Vp and time tp, on its response behavior was studied. So, the obtaining of pH impulsional variations in microvolumes was clarified and the potentiometric detection of hydrogen peroxide H2O2 was evidenced in the [10–100 mM] concentration range. In the near future, we intend to model the ElecFET device for the enzymatic detection of lactate and glucose in cylindrical coordinates.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

شبیه سازی عنصر محدود میکرو حسگرهای pH-ElecFET

Finite-element simulations of the pH-ElecFET microsensors

هیدروژل نانوکامپوزیت های جدید برای پانسمان جراحت و دیگر استفاده های پزشکی

Novel nanocomposites hydrogel for wound dressing and other medical applications

چکیده

1- مقدمه

2- آزمایش

2-1- مواد

2-2- روش

2-3- تعیین مشخصات و تجزیه تحلیل

3- نتایج و بحث

3-1- مکانیسم تشکیل هیدروژل

3-2- شناسایی هیدروژل ها

3-3- سنتز هیدروژل های CMC/DADMAC: اثرات پارامتر های فرایند

3-4- عامل دار کردن( عاملی سازی) منسوجات پنبه با هیدروژل های کوپلیمر CMC-DADMAC

4- تولید هیدروژل های نانوکامپوزیت زیستی اکسید روی(CuO)/ کربوکسی متیل سلولز

4-1- شناسایی پنبه بارگذاری شده با هیدروژل حاوی نانوذرات اکسید مس

5- سنتز و شناسایی نانوکامپوزیت هیدروژل نقره(Ag/CMC-DADMAC)

5-1- مشخصات هیدروژل نقره/CMC-DADMAC

6- فعالیت آنتی باکتریال

نتیجه گیری

منابع

چکیده

پلیمریزاسیون پیوندی مونومر دی آلیلدیمتیل آمونیوم کلرید وینیل(DADMAC) همراه با عامل کراس لینک( اتصال عرضی) N,N-متیلن-بیس-آکریلامید(MBA) بر روی CMC کربوکسی متیل سلولز محلول در آب با استفاده از یک آغاز گر پرسولفات آمونیوم(APS) انجام شد. کوپلیمریزاسیون منجر به تولید هیدروژل هایی می شود. مشخصات و ویژگی های این هیدروژل ها به شرایط موثر بر واکنش کوپلیمریزاسیون بستگی دارد و واکنش کوپلیمریزاسیون به نوبه خود کنترل کننده اندازه منافذ و ساختار خلل و فرج و منافذ هیدروژل ها می باشد.بنابراین، افزایش غلظت مونومر منجر به بهبود قابل توجهی در نسبت آماس و تورم هیدروژل می شود به شرط این که مونومر در غلظت 40 درصد یا بیشتر استفاده می شود. عکس این قضیه برای غلظت آغازگر صدق می کند. نسبت تورم یا آماس هیدروژل به طور معنی داری با افزایش غلظت APS از 0.05 تا 0.25 مول بر لیتر کاهش می یابد. با توجه به کراس لینکرMBA، نسبت تورم حداکثر 30 را می توان با هیدروژل تولید شده با استفاده از MBA در غلظت 0.1 مول بر لیتر بدست آورد. هیدروژل تولید شده در حضور MBA در 0.05 مول بر لیتر، نسبت تورم صفر را نشان می دهد، در حالی که هیدروژل تولید شده با استفاده از MBA در 0.3 مول بر لیتر، نسبت تورم 10 درصد را نشان می دهد، نسبت تورم حداکثر برای هیدروژل را می توان در PH برابر با 7 بدست اورد. کاهش قابل توجه در نسبت تورم هیدروژل در PH 2-6 و نیز در PH برابر با 8 مشاهده می شود. هم چنین هیدروژل می تواند به طور موفق با پارچه پنبه اصلاح شده یعنی پنبه کربوکسی متیله (PCMC) از طریق کراس لینک یا اتصال عرضی یونی پیوند برقرار کند.. تشکیل برجای نانوذرات CuO درون ماتریس نانوکامپوزیت های CMC-DADMAC متصل شده به پارچه پنبه نیز بررسی شد. تشکیل نانوذرات CuO در هیدروژل ها با استفاده از مطالعات میکروسکوپ الکترون عبوری و انکسار اشعه ایکس تایید شد. به علاوه، عملکرد کارکردی هیدروژل نانوکامپوزیت های CuO به عنوان پانسمان زخم برای فعالیت های آنتی باکتریال تست شدند. هیدروژل های نانوکامپوزیت، اثر آنتی باکتریال یا ضد باکتریایی عالی را نشان داد. در این مطالعه ترکیبات و ویژگی های نانوکامپوزیت های هیدروژل Ag/CMC-DADMAC را نیز بررسی کرد. نانوکامپوزیت های هیدروژل فوق فعالیت ضد باکتریایی بالایی را نشان می دهند.

نتیجه گیری

هیدروژل های با خواص منحصر به فرد از طریق بسپارش CMC با DADMAC در حضور آغاز گر APS و کراس لینکر MBA سنتز شدند.اندازه منافذ و ساختار خلل و فرج هیدروژل های تولید شده را می توان با استفاده از متغیر های موثر بر تشکیل هیدروژل کنترل کرد. به طور خلاصه، هیدروژلهای کوپلیمر CMC-DADMAC دارای نسبت تورمی بالا را می توان در غلظت مونومری DADMAC بالاتر بدست اورد. عکس این قضیه برای APS یا MBA صادق است که در آن هیدروژل ها نسبت تورم پایین را نشان می دهند. نمودار نتایج نسبت تورم در برابر PH نشان داده شده است. نسبت تورم هیدروژل کاهش شدید در دامنه PH 2-6 و نیز 8 را نشان می دهد. هیدروژل های مورد مطالعه ، پایه و اساس تولید پانسمان را تشکیل می دهند. هیدروژل به پارچه PCMC از طریق کراس لینک یونی متصل می شود. به علاوه، فعالیت انتی میکروبی هیدروژل جدید بر روی باکتری های گرم مثبت و منفی بر طبق تست انتشار اگار بررسی شد. هیدروژل های نانوکامپوزیت CuO/CMC-DADMAC فعالیت انتی باکتریایی بیشتری را نسبت به هیدروژل های نانوکامپوزیت در برابر باکتری های گرم مثبت و منفی نشان داد. بر اساس این نتایج، هیدروژل های نانوکامپوزیت را می توان در زمینه های مختلف پزشکی نظیر دارو رسانی، پانسمان و ترمیم زخم استفاده کرد.

Abstract

Graft copolymerization of diallyldimethylammonium chloride (DADMAC) vinyl monomer together with N,N‘- methylene-bis-acrylamide (MBA) crosslinking agent onto water soluble carboxymethyl cellulose CMC was carried out using ammonium persulfate (APS) initiator . The copolymerization resulted in hydrogels. Characterization and properties of these hydrogels were dependent on conditions affecting the copolymerization reaction and, in turn, control the pore size and porous structure of the hydrogels. Thus increasing the monomer concentration causes outstanding enhancement in the swelling ratio of the hydrogel provided that monomer is used at a concentration of 40% or more .The opposite holds true for initiator concentration; the swelling ratio of the hydrogel decreases significantly by increasing APS concentration from 0.05 to 0.25 mole/L. With respect to MBA crosslinker, maximum swelling ratio of 30 could be achieved with hydrogel prepared using MBA at concentration of 0.1 mole/L; hydrogel prepared in presence of MBA at 0.05 mole/L exhibits zero swelling ratio while hydrogel prepared using MBA at 0.3 mole/L displays swelling ratio of 10%, maximum swelling ratio for hydrogel could achieved at pH7 .Striking decrease in the swelling ratio of hydrogel is observed within pH range 2-6 as well as at pH 8. The hydrogel could also be successfully attached to modified cotton fabric, namely partially carboxymethylated cotton (PCMC) through ionic crosslinking The in situ formation of CuO nanoparticles inside the matrix of CMC-DADMAC hydrogel nanocomposites attached to cotton fabric was also investigated .The formation of CuO nanoparticles in the hydrogels was confirmed using X-ray diffraction and scanning electron microscopy studies. Furthermore, the functional performance of the novel CuO nanocomposite hydrogel as wound dressing was tested for antibacterial activities; the nanocomposite hydrogels demonstrated excellent antibacterial effect. The work was further extended to include synthesis and Page 1 of 28 RSC Advances 2 characterization of Ag/CMC-DADMAC hydrogel nanocomposites. The latter displays high antibacterial activity.

Conclusion

Hydrogels with unique properties were synthesized through copolymerization of CMC with DADMAC in presence of APS initiator and MBA crosslinker. Pore size and porous structure of thus obtained hydrogels could be controlled by making use of variables affecting the hydrogels formation. Briefly, CMC-DADMAC copolymer hydrogels having great swelling ratio could be achieved at higher DADMAC monomer concentration. The opposite holds true for either APS or MBA where the hydrogels display low swelling ratio .Particularly notable is the plot of the results of swelling ratio versus pH .Swelling ratio of the hydrogel exhibits striking decrease within a pH range 2-6 as well as at pH8 .On the contrary, the hydrogel with maximum swelling ratio could be achieved at pH 7. The hydrogels under investigation forms also the base for production of wound dressing. The hydrogel is attached to PCMC fabric via ionic crosslinking. Furthermore, antimicrobial activity of the novel hydrogel was examined on (Gram-negative) and (Gram-positive) bacteria according to agar diffusion test. The CuO/CMC-DADMAC nanocomposite hydrogels has shown higher antibacterial activity than Ag /CMC- DADMAC nanocomposite hydrogels against Gram-positive and Gram-negative bacteria. Based on these findings, the prepared nanocomposite hydrogels can be used in different medical fields i.e drug delivery, wound dressing as well as wound healing.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

هیدروژل نانوکامپوزیت های جدید برای پانسمان جراحت و دیگر استفاده های پزشکی

Novel nanocomposites hydrogel for wound dressing and other medical applications

بکارگیری آبژل ها در مهندسی بافت استخوان

The use of hydrogels in bone-tissue engineering

چکیده

مقدمه

مواد و روش ها

نتایج و بحث

کیفیت نظریه

نوع پلیمر

زمان انعقاد

تجزیه

قدرت مکانیکی

اصلاح با افزودنی های فعال زیستی

رویکرد سلول گرا

اثر هیدروژل ها در مدل های درون بدن

نتیجه گیری

منابع

چکیده

نمونه های مختلف بسیار زیادی از مواد داربست برای کاربردهای مهندسی بافت مورد استفاده قرار گرفته اندو هیدروژل ها یک گروه از موادی را که در زمینه های مختلفی به کار می روند را شکل می دهند. هیدروژل ها شبکه های پلیمری اب دوست می باشند و یک دسته ی مهم زیست ماده ها را در زیست فناوری نشان می دهند زیرا بسیاری از هیدروژل ها، زیست سازگاری بسیار مناسبی با واکنش های التهابی حداقلی و اسیب بافت از خود نشان می دهند. مطالعات زیادی استفاده از هیدروژل ها را در کاربردهای مهندسی بافت استخوان ذکر کرده اند. در این گزارش، خلاصه ای از نمونه های مختلف پلیمرها و روش های مختلف اصلاح هیدروژل ها برای بهبود شکل گیری ان ها ارائه شده است.
نتایج حاکی از این موضوع هستند که هیدروژل ها برای بازتولید استخوان به کار می روند و اصلاح هیدروژل ها با ملکول های زیست فعال یا رویکردهای سلول گرا منجر به افزایش قابل توجه در شکل گیری استخوان جدید می شود. این موضوع حاکی از این مسئله است که استفاده از هیدروژل ها با اصلاح ممکن است گزینه ای را برای مهندسی بافت استخوان ارائه کند و در عین حال،پژوهش بیشتری برای شناسایی خصوصیات زیستی و فیزیکی نیاز است.

نتیجه گیری

در این گزارش خلاصه ای از نمونه های مختلف پلیمرها و روش های گوناگون اصلاح هیدروژل ها برای ارتقای تشکیل استخوان ارائه شد. نتایج نشان می دهند که هیدروژل ها برای باز تولید استخوان مورد استفاده قرار می گیرند و اصلاح هیدروژل ها با ملکول های زیست فعال یا رویکردهای سلول گرا منجر به افزایش قابل توجه در تشکیل استخوان جدید خواهد شد. این موضوع پیشنهاد می کند که استفاده از هیدروژل ها ممکن است گزینه ای را برای مهندسی بافت استخوان ارائه کند و البته پژوهش بیشتری برای شناسایی خصوصیات زیستی و فیزیکی هیدروژل ها نیاز است.

Abstract

Many different types of scaffold materials have been used for tissue engineering applications, and hydrogels form one group of materials that have been used in a wide variety of applications. Hydrogels are hydrophilic polymer networks and they represent an important class of biomaterials in biotechnology and medicine because many hydrogels exhibit excellent biocompatibility with minimal inflammatory responses and tissue damage. Many studies have demonstrated the use of hydrogels in bone-tissue engineering applications. In this report, the summary was conducted on various kinds of polymers and different modification methods of hydrogels to enhance bone formation.
The results revealed that hydrogels are applied for bone regeneration and that the modification of hydrogels with bioactive molecules or cell-based approaches resulted in significant increases in new bone formation. This suggests that the use of hydrogels with modification may offer an option for bone-tissue engineering, and further research is needed to identify the biological and physical properties of hydrogels.

Conclusions

In this report, a summary was conducted on various kinds of polymers and different modification methods of hydrogels to enhance bone formation. The results revealed that hydrogels are applied for bone regeneration and that the modification of hydrogels with bioactive molecules or cell-based approaches resulted in significant increases in new bone formation. This suggests that the use of hydrogels may offer an option for bone-tissue engineering, and further research is needed to identify the biological and physical properties of hydrogels.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بکارگیری آبژل ها در مهندسی بافت استخوان

The use of hydrogels in bone-tissue engineering