1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

هیدروژل های مغناطیسی: معرفی، روش های تهیه و کاربردها

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - ملیحه پوراسمعیل , نویسنده دوم - حسن نمازی

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : هیدروژل - مغناطیس - کاربرد تاریخ مقاله : 1397/04/25 تعداد بازدید : 575

کمتر بودن کاربرد هیدروژل های متعارف نسبت به هیدروژل های حساس به محرک از یک سو و سازگاری کمتر نانوذرات مغناطیسی بدون پوشش نسبت به نانوذرات احاطه شده با پوشش پلیمری از سوی دیگر، منجر به تلاش های گسترده ای برای تهیه هیدروژل های مغناطیسی شده است. هیدروژل های مغناطیسی نمونه ای از نانوکامپوزیت های پلیمری هستند که امروزه توجه زیادی را به خود جلب جلب کرده اند. این مواد که عضوی از خانواده هیدروژل های هوشمند هستند قادر به پاسخ دادن به میدان مغناطیسی خارجی هستند. توانایی پاسخ به میدان مغناطیسی خارجی باعث شده است که هیدروژل های مغناطیسی پتانسیل استفاده در زمینه های مختلف مانند تحویل هدفمند دارو، عامل کنتراست تصویربرداری رزونانس مغناطیسی، گرمادرمانی، تصفیه آب و پساب از آلاینده هایی همچون رنگ ها و فلزات سنگین را داشته باشند. در این مطالعه معرفی مختصر و خلاصه ای از روش های تهیه هیدروژل های مغناطیسی و نیز کاربرد آن‌ها در بعضی حوزه ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

1-     مقدمه

اولین اشاره به هیدروژل‌ها در سال 1960 گزارش شده است [1]. هیدروژل‌ها شبکه‌های پلیمری دارای اتصالات عرضی با تعداد زیادی گروه‌ها و یا نواحی آب‌دوست هستند. شبکه‌های هیدروژل تمایل بالایی برای جذب آب دارند اما به‌دلیل پیوند فیزیکی و یا شیمیایی تشکیل شده بین زنجیره‌های پلیمر، در نتیجه جذب آب انحلال در شبکه پلیمر اتفاق نمی‌افتد. ماهیت آب‌دوستی هیدروژل‌ها از حضور گروه‌های قطبی نظیر –OH و–COOH و –CONH2 و –SO3H در طول زنجیر ناشی می‌شود [2-4]. در بین هیدروژل‌ها، هیدروژل‌های حساس به محرک‌های محیط خارجی امروزه توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. هیدروژل‌های حساس به محرک، دسته‌ای از هیدروژل‌ها هستند که در پاسخ به تغییرات محیط خارجی نظیر دما، pH، قدرت یونی، فشار، میدان الکتریکی و یا میدان مغناطیسی تغییر حجم یا تغییر فاز می‌دهند [5-7]. علی‌رغم مزایای مربوط به استفاده از هیدروژل‌های متداول، کاربرد آن‌ها به‌دلیل استحکام مکانیکی و ویژگی‌های تحریک و پاسخ ضعیف، محدود است. به همین علت در سال‌های اخیر هیدروژل‌های نانو‌کامپوزیتی به‌دلیل خصوصیات منحصر به‌فرد و کاربرد گسترده‌ی خود توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. یکی از مزایای هیدروژل‌های نانو‌کامپوزیتی توانایی ایجاد سازگاری بیولوژیکی بیشتر نسبت به نانو‌ذرات بدون پوشش است. این سازگاری بیشتر در نتیجه احاطه شدن نانو‌ذرات به واسطه پوشش است که سدی را بین محیط خارجی و نانو‌ذرات فراهم می‌کند [8]. هیدروژل‌های مغناطیسی شبکه‌های پلیمر‌ی حاوی نانو‌ذرات مغناطیسی پراکنده شده در ماتریکس پلیمر دارای اتصال عرضی هستند. بسته به نوع و غلظت پلیمر، کنترل ویژگی ویسکوالاستیک این مواد امکان‌پذیر است. همچنین خصوصیات مغناطیسی هم تابع نوع و غلطت نانو‌ذرات استفاده شده در تهیه هیدروژل است. به‌دلیل همین ویژگی‌های خاص، هیدروژل‌های مغناطیسی برای کاربرد‌های زیادی، نظیر آزاد‌سازی کنترل شده دارو‌ها، مهندسی بافت، گرمادرمانی و.... مناسب هستند. همچنین مواردی از استفاده هیدروژل‌های مغناطیسی در مقابله با خوردگی فولاد کربنی [9] و حذف آلاینده‌ها از آب [10] نیز گزارش شده است. اکثر این کاربرد‌ها نیازمند غلظت بالا و نیز پراکندگی خوب نانو‌ذرات مغناطیسی درون ماتریکس پلیمر است. توزیع مناسب نانو‌ذرات از آن جهت مهم است که لخته شدن، تعداد زیادی از مزایای مربوط به استفاده از نانو‌ذرات پراکنده را از بین می‌برد. توزیع نانو‌ذرات مغناطیسی در ماتریکس هیدروژل، خصوصیات مغناطیسی نهایی هیدروژل‌ها را کنترل می‌کند. در سیستم‌های تغلیظ شده اثر برهمکنش دو قطبی بین همسایه‌های نزدیک قابل توجه است که خصوصیات مغناطیسی ماکروسکوپی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به‌همین دلیل طراحی راه کاری که قادر به کنترل سطح پراکندگی نانوذرات در ماتریکس باشد ضروری است [9, 11-13]. در این بررسی ما قصد داریم تا پیشرفت‌های توسعه هیدروژل مغناطیسی، از جمله روش‌های آماده‌سازی و کاربرد‌های آن را مطرح کنیم.

 

2-     روش‌های سنتز هیدروژل‌های مغناطیسی

عمدتا سه روش برای سنتز هیدروژل‌های مغناطیسی توسعه یافته است که شامل روش‌های آمیزه کاری7، ترسیب در محل8 و اتصال بر روی9 هستند.

2-1- آمیزه کاری

در این روش نانو‌ذرات مغناطیسی و هیدروژل به صورت جداگانه تهیه می‌شوند. نانو‌ذرات مغناطیسی غالبا با روش هم‌رسوبی تهیه و به منظور جلوگیری از اکسیداسیون و لخته شدن، در محلول آبی یا آلی پخش و سیال مغناطیسی تهیه می‌گردد. سرانجام در اثر مخلوط کردن سیال مغناطیسی و محلول سازنده هیدروژل، شبکه‌ای هیدروژل تشکیل می‌گردد که نتیجه‌ی آن احاطه شدن نانو‌ذرات مغناطیسی به‌وسیله‌ی هیدروژل است (شکل 1). برونسن10 و همکارانش با استفاده از این روش هیدروژل دکستران/FexOy را تهیه نمودند. آن‌ها برای تهیه این هیدروژل مخلوطی از نانو‌ذرات مغناطیسی و پلیمر دکستران را در حالت محلول تهیه کردند، و بعد از پوشش‌دهی چرخشی11 و در ادامه خشک کردن توانستند کامپوزیت هیدروژل مغناطیسی ایجاد شده ازطریق اتصالات عرضی با تابش نور فرابنفش را به‌دست آوردند. این روش فرایندی آسان برای سنتز هیدروژل‌های مغناطیسی است. زیرا تهیه و احاطه کردن نانو‌ذرات مغناطیسی به صورت جداگانه انجام می‌شود. مشکل استفاده از این روش برای تهیه‌ی هیدروژل مغناطیسی این است که دستیابی به توزیع یکنواختی از نانو‌ذرات در شبکه هیدروژل دشوار است علاوه‌بر این هنگامی که هیدروژل مغناطیسی در یک محلول مایع غوطه‌ور می‌شود احتمال نفوذ نانو‌ذرات به خارج از هیدروژل مغناطیسی وجود دارد [14, 15].

2-2- روش ترسیب در محل

در این روش ابتدا هیدروژل‌ سنتز شده و در مرحله دوم در یک محلول آبی غلیظ حاوی یون‌های Fe+2 و Fe+3 قرار داده می‌شود. نسبت مولی یون‌های آهن تا زمان رسیدن به تعادل تورم به ترتیب در 2: 1حفظ می‌شود. در مرحله بعد هیدروژل متورم شده یون‌های Fe+2 و Fe+3 را جذب می‌کند و سپس به منظور ایجاد نانو‌ذرات مغناطیسی در یک محلول قلیایی فرو برده می‌شود. در حقیقت سنتز نانو‌ذرات مغناطیسی در محیط قلیایی و درون شبکه هیدروژل صورت می‌گیرد. بازده واکنش تشکیل نانو‌ذرات مگنتیت در فاز هیدروژل به غلظت نمک‌های آهن، باز و ویژگی‌های شبکه‌ هیدروژل متورم بستگی دارد. درحقیقت در این روش شبکه هیدروژل به عنوان یک راکتور شیمیایی عمل می‌کند و در درون آن، نمک یون‌های آهن با عوامل رسوب دهنده مناسب) مثلا NH3.H2O وNaoH (واکنش می‌دهند و نانو‌ذرات مغناطیسی تشکیل می‌شوند. سیودو12 و همکارانش هیدروژل پلی اکریل آمید/ مگنتیت را با روش ترسیب در محل تهیه و سپس با استفاده از آن توانایی جذب سرم آلبومین گاوی را به عنوان یک پروتئین مدل بررسی کردند. در این کار یون‌های آهن II وIII به‌دلیل ساختار متخلخل هیدروژل و حضور گروه‌های آمیدی در زنجیر اصلی هیدروژل، از طریق برهمکنش‌های الکتروستاتیک به هیدروژل اکریل آمید وصل می‌شوند. در ادامه نانو‌کامپوزیت هیدروژل مگنتیت-اکریل آمید به‌وسیله اکسایش القا شده با محلول آمونیوم، تهیه شد (شکل 2) [14, 16].

این روش دارای چندین مزیت است. اول این‌که ورود تعداد زیادی از ذرات معدنی به شبکه هیدروژل تاییدی بر این مطلب است که ذرات با اندازه کلوئیدی در شبکه پلیمر به خوبی پراکنده می‌شوند ثانیا فرایند تهیه ساده و کم قیمت است. به هر حال این روش تنها برای هیدروژل‌هایی با شبکه پایدار مناسب است در غیر این صورت شبکه هیدروژل ممکن است در طی فرایند تهیه هیدروژل مغناطیسی به‌وسیله‌ی محلول قلیایی تخریب شود. علاوه‌بر آن استفاده از محلول قلیایی کاربرد هیدروژل مغناطیسی سنتز شده با این روش را برای احاطه کردن سلول محدود می‌کند. نکته مهم دیگر این است که بازده نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 در هیدروژل‌هایی که دارای لیگاند‌هایی با بار منفی (نظیر COO-) هستند، ممکن است به‌دلیل واکنش تشکیل کمپلکس این لیگاند‌ها با Fe+2 و Fe+3 موجود در محلول نمک پایین باشد [14].

2-3- روش اتصال بر روی

در این روش اتصال چندین گروه‌ عاملی بر روی سطح نانو‌ذرات مغناطیسی باعث می‌شود که نانو‌ذرات مغناطیسی به عنوان یک عامل شبکه‌ای کننده‌ی نانو عمل کنند و پیوند کووالانسی بین مونومر و نانوذرات در طی فرایند پلیمریزاسیون تشکیل گردد. چن13 و همکارانش نانو‌ذرات مغناطیسی را با واکنش اکسایش-کاهش تهیه کردند و در ادامه آن‌ها را با واکنش سایلیلاسون به‌وسیله‌ی 3-تری متوکسی سایلیل پروپیل متا اکریلات) (TMSPMA اصلاح نمودند. اتصال چندین مونومر TMSPMA به سطح نانو‌ذرات Fe3O4 باعث می‌شود که نانو‌ذرات اصلاح شده به عنوان عامل اتصال دهنده‌ی عرضی عمل کنند. در مرحله‌ی بعد پلیمریزاسیون امولسیونی N-ایزوپروپیل اکریل آمید بدون حضورسورفاکتانت و در مجاورت نانو‌ذرات Fe3O4 اصلاح شده در °C70 در محلول آبی، منجر به تشکیل میکروژل Fe3O4–پلی N- ایزوپروپیل اکریل آمید گردید (شکل 3). یک ویژگی مشخص این روش که مانع از تراوش نانو‌ذرات مغناطیسی به بیرون از شبکه هیدروژل می‌شود، اتصال کوالانسی مستقیم بین ماتریکس هیدروژل و نانو‌ذرات است. در غیر این صورت فرایند تهیه سخت، زمان تهیه طولانی و هزینه‌ی بالای این روش، کاربرد آن را محدود می‌کند. با وجود اینکه پلیمر‌های طبیعی و پلیمر‌های سنتزی برای سنتز هیدروژل‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند، پلیمر‌های طبیعی به‌دلیل نداشتن محل‌های فعال برای اتصال نانو‌ذرات مغناطیسی برای سنتز هیدروژل‌های مغناطیسی با روش اتصال برروی مناسب نیستند [14, 17].

 

3-     کاربرد‌های هیدروژل مغناطیسی

هیدروژل‌های مغناطیسی به دلیل حضور ماتریکس پلیمری با گروه‌های عاملی فراوان و نانو‌ذره مغناطیسی دارای پتانسیل پاسخ گویی به تغییرات میدان مغناطیسی، توانایی استفاده در بسیاری از حوزه‌ها را دارند. در زیر خلاصه‌ای از کاربرد‌های هیدروژل مغناطیسی در زمینه بیوپزشکی و تصفیه آب بیان شده است.

3-1- کاربرد‌های بیوپزشکی

3-1-1- دارورسانی هدفمند

هیدروژل‌های مغناطیسی توانایی انتقال دارو به محل هدف را دارا هستند. توانایی انتقال هدفمند دارو از وجود نانو‌ذرات مغناطیسی پخش شده در ماتریکس پلیمری ناشی می‌شود که امکان انتقال حامل به بافت هدف را به آن القا می‌کنند. انتقال دارو به بافت هدف احتمال آزادسازی دارو در بافت سالم بدن را کاهش داده از این‌رو عوارض جانبی ناشی از آزادشدن غیر هدفمند دارو را کاهش می‌دهد. همچنین با رسیدن هیدروژل مغناطیسی به بافت هدف آزادسازی دارو می‌تواند تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی کنترل شود [18-20]. ستارکار14 و همکارش هیدروژل مغناطیسی حساس به دما برپایه N- ایزوپروپیل اکریل آمید و نانو‌ذرات مگنتیت را تهیه و توانایی آن برای آزادسازی دارو‌های مدل متیلن بلو و ویتأمین B12 را تحت تأثیر میدان مغناطیسی متناوب با فرکانس بالا مورد مطالعه قرار دادند. نتایج آزاد‌سازی دارو‌ها نشان داد که سیستم تهیه شده پتانسیل استفاده به عنوان عامل تحویل دارو را دارد. N- ایزوپروپیل اکریل آمید یک مونومر حساس به دما با دمای پایین بحرانی محلول15 °C 35-30 است. استفاده از میدان مغناطیسی متناوب با فرکانس بالا منجر به تولید گرما در نتیجه آسایش نیل16 و براونی17 می‌شود. با اعمال میدان مغناطیسی متناوب به نانو‌کامپوزیت تهیه شده گرمای تولید شده به‌وسیله‌ی نانو‌ذرات منجر به افزایش دمای ماتریکس پلیمری می‌شود. درصورتی که این گرمای تولید شده بیشتر از دمای پایین بحرانی محلول باشد شبکه هیدروژل منقبض شده و مولکول‌های آب و داروی به دام افتاده در شبکه هیدروژل مغناطیسی آزاد خواهد شد. مطالعات این گروه نشان داد که با خاموش کردن میدان مغناطیسی متناوب خارجی شبکه هیدروژل به حالت متورم اولیه برمی‌گردد از این‌رو نانو‌کامپوزیت تهیه شده قابلیت آزادسازی کنترل شده دارو با خاموش و روشن کردن میدان مغناطیسی متناوب خارجی را نشان می‌دهد (شکل 4) [21].

3-1-2- تصویربرداری رزونانس مغناطیسی

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی یک وسیله قدرتمند برای تشخیص بیماری‌ها است که امکان تصویربرداری از بافت‌ها و ارگان‌های بدن را فراهم می‌کند. کارایی این تکنیک می‌تواند با انتخاب عامل کنتراست مناسب بهبود یابد. تأثیر عوامل کنتراست از اثر برروی سرعت آسایش پروتون‌های آب موجود در ترکیب ناشی می‌شود به‌گونه‌ای که در نبود نانو‌ذرات مغناطیسی پروتون‌های آب سرعت آسایش آهسته‌ای دارند. یکی از مزایای استفاده از هیدروژل‌های مغناطیسی به‌عنوان عامل کنتراست تصویربرداری رزونانس مغناطیسی طولانی مدت18 است که می‌تواند اطلاعاتی در مورد پیشرفت درمان پزشکی با گذشت زمان به ما بدهد. فرمولاسیون‌های مختلفی برای دستیابی به تصویر واضح از بدن با روش تصویربرداری رزونانس مغناطیسی ارائه شده است [22-24]. کیم19 و همکارانش هیدروژل نانو‌کامپوزیتی حساس به دما مگنتیت/پلی ارگانو فسفازن20 را تهیه و قابلیت استفاده از آن به عنوان عامل کنتراست در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی را مورد مطالعه قرار دادند. برای دستیابی به عامل کنتراست، نانو‌ذرات مغناطیسی کبالت فریت (CoFe2O4) با سطح آب‌گریز، از طریق برهمکنش آب‌گریز بین سطح آب‌گریز نانو‌ذره و گروه‌های L-ایزو لئوسین اتیل استر21 پلیمر به هیدروژل اولیه متصل شدند. هیدروژل مغناطیسی تهیه شده ضمن حفظ خواص هیدروژل اولیه خالص نطیر حساس به دما بودن، زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری، قابلیت تزریق به بدن و تبدیل فازسل-ژل22 در محدوده‌ی دمای بدن، دو خاصیت مهم برای استفاده به‌عنوان عامل کنتراست یعنی سمیت خیلی کم برای بدن و مغناطیس شدن کافی برای استفاده به‌عنوان عامل کنتراست تصویر‌برداری مغناطیسی را نشان داد. هیدروژل مغناطیسی سنتز شده به مغز موش تزریق و پتانسیل استفاده به‌عنوان عامل کنتراست را برای حدود 4-5 هفته نشان داد (شکل 5) [25].

3-1-3-گرمادرمانی

هرچند روش‌های درمانی متعددی برای بسیاری از سرطان‌ها بیان شده است با این وجود برخی از سرطان‌ها هنوز هم سرعت درمان کمتری دارند از این رو دستیابی به شیوه‌های جدید در درمان سرطان امروزه یکی از تحقیقات مهم در زمینه زیست‌پزشکی است. گرمادرمانی یکی از روش‌های درمانی سلول‌های سرطانی است که در آن دمای سلول‌های سرطانی به دمایی بین 41 تا 45 درجه سانتی‌گراد رسانده می‌شود. معمولا گرمادرمانی در ترکیب با روش‌های درمانی دیگر نظیر شیمی‌درمانی و پرتودرمانی یک شیوه موثر برای نابودی سلول‌های سرطانی است. در روش گرمادرمانی یک ترکیب فرومغناطیس و یا سوپرپارامغناطیس به محل سلول سرطانی هدایت می‌شود و سپس با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، تحت چند سازوکار ذرات پارا یا فرومغناطیس قدرت میدان مغناطیسی خارجی را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند. سامانتا23 و همکارانش هیدروژل نانو‌کامپوزیتی زیست سازگار پلی اتیلن گلیکول و N- ایزوپروپیل اکریل آمید/مگنتیت را در درصد‌های مختلف مگنتیت تهیه و قدرت تورم و توانایی آن برای تولید گرما درنتیجه اعمال میدان مغناطیسی متناوب24 را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج بررسی تورم نشان داد که هیدروژل نانو‌کامپوزیتی تهیه شده رفتار تورمی حساس به دما دارد به‌گونه‌ای که در دما‌های بالا رفتار واتورمی25 نشان می‌دهد. همچنین رفتار تورمی حساس به دما برای نانو‌کامپوزیت تهیه شده می‌تواند با تغییر قدرت میدان مغناطیسی متناوب خارجی کنترل شود. همچنین نتایج مطالعات آن‌ها نشان داد که قدرت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای گرمادرمانی وابسته به درصد نانو‌ذره مگنتیت به‌کارگرفته شده برای تولید هیدروژل نانو‌کامپوزیتی است و با افزایش درصد مگنتیت موجود در ساختار هیدروژل مغناطیسی به میدان مغناطیسی ضعیف‌تری برای تولید گرمای فرایند گرمادرمانی نیاز است [8]. طی پژوهشی دیگر انگ26 و همکارانش هیدروژل مغناطیسی برپایه نانو‌ذره مگنتیت و N- ایزوپروپیل اکریل آمید را تهیه و پتانسیل آن برای استفاده در فرایند گرمادرمانی و نیز آزاد‌سازی دارو را مورد مطالعه قرار دادند (شکل 6). در این پژوهش مطالعه در یک فرکانس ثابت kHz 375صورت گرفت اما قدرت میدان مغناطیسی خارجی در محدوده kA/m 5/2-7/1 متغیر بود. نتایج آزمایش نشان داد که بیشترین گرما در سیستمی با درصد مگنتیت زیاد و برای میدان مغناطیسی خارجی با بالاترین قدرت به‌دست می‌آید [26, 27].

3-2- تصفیه آب

با توسعه صنعت مدرن آلودگی آب به‌وسیله‌ی رنگ‌ها و فلزات واسطه به یک مشکل بزرگ جهانی تبدیل شده است. فلزات سنگین و رنگ‌ها حتی در غلظت‌های پایین هم برای میکروارگانیسم‌ها و موجودات آبزی مضر بوده و باعث اختلال در عملکرد طبیعی بدن و بیماری‌های مختلف نظیر سرطان در انسان می‌شوند. بنابراین، ضروری است که میزان فلزات سنگین و رنگ‌های موجود در پساب‌های صنعتی را که به محیط زیست وارد می‌شوند کاهش یا حذف کنند. در سال‌های اخیر به دلیل بازده بالای فرایند جذب حتی در غلظت‌های کم جاذب، ساده بودن فرایند جذب و قابلیت استفاده مجدد از جاذب توجهات بیشتر به سمت استفاده از جاذب‌های پلیمری برای تصفیه آب متمرکز شده است. پلیمر‌های زیادی توانایی کئوردینه شدن با فلزات یا برهمکنش با ترکیبات آلی را دارند به‌همین علت هیدروژل تهیه شده از این پلیمر‌ها نیز قابلیت استفاده در تصفیه آب را دارند. در این بین، ترکیب مواد معدنی مانند نانو‌ذرات مگنتیت با پلیمر‌های آلی یکی از مباحث هیجان انگیز در زمینه دستیابی به جاذب با کارایی بالاست. نانو‌ذرات مگنتیت دارای خاصیت سوپرپارامغناطیسی، سمیت پایین و زیست‌سازگاری هستند. قرارگیری نانو‌ذره مغناطیسی در شبکه پلیمر برای ایجاد هیدروژل مغناطیسی، جاذبی با مساحت سطحی بالا را ایجاد می‌کند که پس از تصفیه آب، سریع و به راحتی با کمک نیروی مغناطیسی اعمال شده از آب خارج می‌شود. تصفیه حجم زیادی از فاضلاب در یک زمان معقول بدون تولید آلاینده‌ها، مزیت اصلی این نوع جاذب است. به گونه‌ای که این جاذب‌ها به طور گسترده‌ای برای حذف موثر رنگ‌ها و فلزات سنگین و سایر مولکول‌های آلاینده استفاده شده‌اند [10, 28-31]. سخاوت پور27 و همکارش هیدروژل متخلخل مغناطیسی برپایه نشاسته پیوند داده شده به پلی وینیل ایمیدازول/پلی وینیل الکل را تهیه و از آن برای حذف رنگ کریستال بنفش28 و کونگو قرمز29 و نیز فلزات دوظرفیتی سرب، مس و کادمیم استفاده نمودند. نتایج حاصل نشان داد که جاذب طراحی شده ظرفیت جذب بالایی برای حذف فلزات و رنگ‌های یاد شده دارد. فرایند حذف رنگ‌ها برای این حامل از سینتیک مرتبه دو پیروی کرد و نتایج با ایزوترم لانگموئر هم‌خوانی داشت. قابل استفاده مجدد بودن جاذب‌ها پس از فرایند جذب یکی از مهم‌ترین معیار‌های مطلوب بودن جاذب به‌خاطر دلایل زیست‌محیطی و اقتصادی است. بنابراین سیکل جذب-واجذب برای بررسی پتانسیل هیدروژل دانه‌ای تهیه شده مورد بررسی قرار گرفت. در حالت کلی هرچه تعداد سیکل‌های جذب-واجذب جاذب بالا باشد امکان استفاده مجدد از جاذب فراهم می‌گردد که از نظر زیست‌محیطی و اقتصادی بهتر است. جاذب مطرح شده در کار سخاوت پور و همکارانش کارایی خود را برای چهار سیکل جذب-واجذب پشت سرهم نشان داد [32].

 

نتیجه‌گیری

مطالعه کار‌های صورت گرفته نشان می‌دهد که ترکیب نانوذرات مغناطیسی با پلیمرهای هیدروژل در سال‌های اخیر به طور گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفته است که هدف عمده این مطالعات معرفی سیستم کاربردی جدید با تکیه برویژگی مفید هر دو جز است. طیف وسیعی از هیدروژل‌های مغناطیسی برای استفاده در حوزه‌های مختلفی نظیر دارورسانی هدفمند، تصویربرداری از بافت‌های بدن، گرمادرمانی و تصفیه آب از آلاینده‌ها سنتز و کارایی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی کار‌های منتشر شده نشان می‌دهد که اگرچه بیشتر مطالعات در زمینه تولید هیدروژل مغناطیسی بر پایه استفاده از نانو‌ذره مغناطیسی کروی شکل استوار است با وجود آن گاهی اوقات نانوذرات مگنتیت در شکل‌های دیگر نیز به منظور افزایش کارایی هیدروژل مغناطیسی تهیه می‌شوند. انتظار می‌رود که توسعه کاربرد هیدروژل‌های مغناطیسی بسته به سنتز هیدروژل‌های جدید باشد.

 

منابع

[1]  O. Wichterle and D. LÍM, "Hydrophilic Gels for Biological Use," Nature, vol. 185, p. 117, 1960.

[2]  D. E. Rodríguez, J. Romero-García, E. Ramírez-Vargas, A. S. Ledezma-Pérez, and E. Arías-Marín, "Synthesis and swelling characteristics of semi-interpenetrating polymer network hydrogels composed of poly (acrylamide) and poly (γ-glutamic acid) ," Materials Letters, vol. 60, no. 11, pp. 1390-1393, 2006.

[3]  N. Bhattarai, J. Gunn, and M. Zhang, "Chitosan-based hydrogels for controlled, localized drug delivery," Advanced Drug Delivery Reviews, vol. 62, no. 1, pp. 83-99, 2010.

[4]  S. Farhoudian, M. Yadollahi, and H. Namazi, "Facile synthesis of antibacterial chitosan/CuO bio-nanocomposite hydrogel beads," International Journal of Biological Macromolecules, vol. 82, pp. 837-843, 2016.

[5]  Y. M. Mohan, P. S. K. Murthy, J. Sreeramulu, and K. M. Raju, "Swelling behavior of semi-interpenetrating polymer network hydrogels composed of poly (vinyl alcohol) and poly (acrylamide-co-sodium methacrylate) ," Journal of Applied Polymer Science, vol. 98, no. 1, pp. 302-314, 2005.

[6]  Y. Xiang, Z. Peng, and D. Chen, "A new polymer/clay nano-composite hydrogel with improved response rate and tensile mechanical properties," European Polymer Journal, vol. 42, no. 9, pp. 2125-2132, 2006.

[7]  M. Yadollahi, H. Namazi, and M. Aghazadeh, "Antibacterial carboxymethyl cellulose/Ag nanocomposite hydrogels cross-linked with layered double hydroxides," International Journal of Biological Macromolecules, vol. 79, pp. 269-277, 2015.

[8]  S. A. Meenach, J. Z. Hilt, and K. W. Anderson, "Poly (ethylene glycol) -based magnetic hydrogel nanocomposites for hyperthermia cancer therapy," Acta Biomaterialia, vol. 6, no. 3, pp. 1039-1046, 2010.

[9]  A. M. Atta, O. E. El-Azabawy, H. S. Ismail, and M. A. Hegazy, "Novel dispersed magnetite core-shell nanogel polymers as corrosion inhibitors for carbon steel in acidic medium," Corrosion Science, vol. 53, no. 5, pp. 1680-1689, 2011.

[10]            M. Pooresmaeil, Y. Mansoori, M. Mirzaeinejad, and A. Khodayari, "Efficient Removal of Methylene Blue by Novel Magnetic Hydrogel Nanocomposites of Poly (acrylic acid) ," Advances in Polymer Technology, vol. 37, no. 1, pp. 262-274, 2018.

[11]            E. Goiti, M. M. Salinas, G. Arias, D. Puglia, J. M. Kenny, and C. Mijangos, "Effect of magnetic nanoparticles on the thermal properties of some hydrogels," Polymer Degradation and Stability, vol. 92, no. 12, pp. 2198-2205, 2007.

[12]            A. Ayman, A. A. Magda, M. Y. AbdElfatah, and A. I. Mohamed, "Superparamagnetic Core-Shell Polymeric Nanocomposites for Efficient Removal of Methylene Blue from Aqueous Solutions," Adsorption Science & Technology, vol. 31, no. 5, pp. 397-419, 2018/04/08 2013.

[13]            O. Moscoso-Londoño et al., "Structural and magnetic behavior of ferrogels obtained by freezing thawing of polyvinyl alcohol/poly (acrylic acid) (PAA) -coated iron oxide nanoparticles," European Polymer Journal, vol. 49, no. 2, pp. 279-289, 2013.

[14]            Y. Li et al., "Magnetic Hydrogels and Their Potential Biomedical Applications," Advanced Functional Materials, vol. 23, no. 6, pp. 660-672, 2013.

[15]            A. Brunsen, S. Utech, M. Maskos, W. Knoll, and U. Jonas, "Magnetic Composite Thin Films of FexOy Nanoparticles and Photocrosslinked Dextran Hydrogels," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 324, no. 8, pp. 1488-1497, 2012.

[16]            K. S. Sivudu and K. Y. Rhee, "Preparation and characterization of pH-responsive hydrogel magnetite nanocomposite," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 349, no. 1, pp. 29-34, 2009.

[17]            T. Chen et al., "Preparation and characterization of thermosensitive organic-inorganic hybrid microgels with functional Fe3O4 nanoparticles as crosslinker," Polymer, vol. 52, no. 1, pp. 172-179, 2011.

[18]            G. Giani, S. Fedi, and R. Barbucci, "Hybrid Magnetic Hydrogel: A Potential System for Controlled Drug Delivery by Means of Alternating Magnetic Fields," Polymers, vol. 4, no. 2, pp. 1157-1169, 2012.

[19]            F. Camponeschi, A. Atrei, G. Rocchigiani, L. Mencuccini, M. Uva, and R. Barbucci, "New Formulations of Polysaccharide-Based Hydrogels for Drug Release and Tissue Engineering," Gels, vol. 1, no. 1, pp. 3-23, 2015.

[20]            N. N. Reddy et al., "Evaluation of blood compatibility and drug release studies of gelatin based magnetic hydrogel nanocomposites," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 385, no. 1, pp. 20-27, 2011.

[21]            N. S. Satarkar and J. Z. Hilt, "Magnetic hydrogel nanocomposites for remote controlled pulsatile drug release," Journal of Controlled Release, vol. 130, no. 3, pp. 246-251, 2008.

[22]            J. Zhang, Q. Huang, and J. Du, "Recent advances in magnetic hydrogels," Polymer International, vol. 65, no. 12, pp. 1365-1372, 2016.

[23]            S. Aime et al., "Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging: A Novel Route to Enhanced Relaxivities Based on the Interaction of a GdIII Chelate with Poly-cyclodextrins," Chemistry-A European Journal, vol. 5, no. 4, pp. 1253-1260, 1999.

[24]            Y. Zhang, Y. Sun, X. Yang, J. Hilborn, A. Heerschap, and D. A. Ossipov, "Injectable In Situ Forming Hybrid Iron Oxide-Hyaluronic Acid Hydrogel for Magnetic Resonance Imaging and Drug Delivery," Macromolecular Bioscience, vol. 14, no. 9, pp. 1249-1259, 2014.

[25]            J. I. Kim et al., "Thermosensitive/magnetic poly (organophosphazene) hydrogel as a long-term magnetic resonance contrast platform," Biomaterials, vol. 33, no. 1, pp. 218-224, 2012.

[26]            K. L. Ang, S. Venkatraman, and R. V. Ramanujan, "Magnetic PNIPA hydrogels for hyperthermia applications in cancer therapy," Materials Science and Engineering: C, vol. 27, no. 3, pp. 347-351, 2007.

[27]            L. L. Lao and R. V. Ramanujan, "Magnetic and hydrogel composite materials for hyperthermia applications," Journal of Materials Science: Materials in Medicine, journal article vol. 15, no. 10, pp. 1061-1064, October 01 2004.

[28]            A. L. Daniel-da-Silva, R. S. Carvalho, and T. Trindade, "Magnetic hydrogel nanocomposites and composite nanoparticles-a review of recent patented works," Recent patents on nanotechnology, vol. 7, no. 2, pp. 153-166, 2013.

[29]            S. C. N. Tang, D. Y. S. Yan, and I. M. C. Lo, "Sustainable Wastewater Treatment Using Microsized Magnetic Hydrogel with Magnetic Separation Technology," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 53, no. 40, pp. 15718-15724, 2014.

[30]            Y. Zhou, S. Fu, L. Zhang, H. Zhan, and M. V. Levit, "Use of carboxylated cellulose nanofibrils-filled magnetic chitosan hydrogel beads as adsorbents for Pb (II) ," Carbohydrate Polymers, vol. 101, pp. 75-82, 2014.

[31]            H. Hosseinzadeh and A. Javadi, "Fabrication and characterization of CMC-based magnetic superabsorbent hydrogel nanocomposites for crystal violet removal," Polymers for Advanced Technologies, vol. 27, no. 12, pp. 1609-1616, 2016.

[32]            Z. Sekhavat Pour and M. Ghaemy, "Removal of dyes and heavy metal ions from water by magnetic hydrogel beads based on poly (vinyl alcohol) /carboxymethyl starch-g-poly (vinyl imidazole) ," RSC Advances, vol. 5, no. 79, pp. 64106-64118, 2015.