Çay bileşiği, deniz yosununun hidrojel gücünü beş kat artırırken yapışma ve parçalanmayı da ayarlar

Yara iyileştirici pansumanlar daha iyi yapışabilir mi ve ilaç dağıtım bantları daha karmaşık hale gelebilir mi? KAIST araştırma ekibi, deniz yosunu bazlı bir hidrojelin (şeklini korurken büyük miktarda su içeren bir jel malzemesi) gücünü beş kattan fazla artırmak için bitkilerden elde edilen doğal içeriklerden yararlanan ve aynı zamanda yapışkanlığını ve bozulma oranını da kontrol eden bir teknoloji geliştirdi.

Kimya Bölümü’nden Profesör Haeshin Lee liderliğindeki araştırma ekibi, deniz yosunu türevi hidrojelin mekanik mukavemetini ve yapışkanlığını arttırmak ve bozunma oranını kontrol etmek için çay ve meyvelerde bol miktarda bulunan doğal bir antioksidan olan bir tür polifenol olan tanik asit kullanan yeni bir malzeme tasarım stratejisi geliştirdi.

Çalışma dergide yayınlandı Biyomimetik.

Hidrojel, kontakt lenslerde, sivilce yamalarında, maske paketlerinde ve yara iyileştirici pansumanlarda kullanılan yüksek nemli bir jel malzemedir. İlaçları veya aktif maddeleri tutarken cilde sıkı bir şekilde yapışabildiğinden, ilaç dağıtım sistemleri (ilaçları istenen bölgelere etkili bir şekilde ileten malzemeler), yara pansumanları (yaraları koruyan ve iyileşmeye yardımcı olan tıbbi pansumanlar), doku mühendisliği iskeleleri (yapay dokuyu yenilemeye yardımcı olan yapılar) ve kozmetik malzemeler gibi çeşitli biyo ve sağlıkla ilgili alanlarda kullanılmaktadır.

Carrageenan’ın neden yardıma ihtiyacı vardı?

Araştırma ekibi, çeşitli hidrojel materyalleri arasında κ-Carrageenan’a odaklandı. κ-Karragenan, agar-agar gibi kırmızı deniz yosunundan (rhodofitler) elde edilen doğal bir polimerdir ve viskoziteyi arttırmak ve jölelerin ve sosların şeklini korumak için kullanılan bilinen bir gıda bileşenidir.

Ancak κ-Carrageenan ile yapılan hidrojellerin performansının arttırılmasında sınırlamalar vardı. κ-Karragenan molekülü, sülfat grupları adı verilen, moleküller arası itme oluşturan (tıpkı aynı kutba sahip mıknatısların birbirini itmesi gibi) ve yoğun bir yapının oluşmasını engelleyen birçok yapı içerir.

Bu nedenle hidrojelin mukavemetini ve yapışkanlığını arttırmak veya bozunma oranını istenilen seviyeye ayarlamak zordu.

Bu sorunu çözmek için araştırma ekibi, sülfat gruplarıyla etkili bir şekilde etkileşime girebilecek doğal bir madde bulmaya odaklandı. Sonuç olarak çay ve meyvelerde bol miktarda bulunan doğal bir polifenol olan tannik asidin umut verici bir aday olabileceği belirlendi.

Polifenoller, bitkilerin kendilerini ultraviyole ışınları veya zararlılar gibi dış koşullardan korumak için ürettiği doğal bileşenlerdir ve aynı anda birden fazla maddeye bağlanabilme özelliğine sahiptirler.

Özellikle tannik asitin birden fazla bağlanma bölgesi (galloil grupları) vardır, bu nedenle κ-Carrageenan’ın sülfat gruplarıyla güçlü bir şekilde etkileşime girmesi ve molekülleri birbirine bağlaması bekleniyordu. Araştırma ekibi bu özelliğin hidrojel yapısını güçlendirmek için kullanılabileceğine inanıyordu.

Tanik asit onu nasıl güçlendirdi?

Çalışma sonucunda daha önce hidrojel oluşumunu engelleyen bir faktör olarak kabul edilen sülfat grubunun aslında tanik asit ile çekirdek bağlanma bölgesi görevi gördüğü doğrulandı. Başka bir deyişle, daha önce zayıflık olarak kabul edilen yapı, hidrojelin tannik asitle birleştirildiğinde daha da sıkı hale gelmesinde rol oynadı.

Aslında, tannik asit eklenmiş κ-Karragenan hidrojelinin depolama modülü (bir jelin sertliğini ve elastikiyetini temsil eden bir endeks) yaklaşık 1.632 Pa idi; bu, saf κ-Karragenan hidrojeline (yaklaşık 294 Pa) kıyasla beş kattan fazla bir iyileşme gösterdi.

Bu, hidrojelin dış basınç veya deformasyon altında bile şeklini daha stabil bir şekilde koruyabildiği anlamına gelir; bu da yara iyileştirici pansumanların veya ilaç dağıtım bantlarının dayanıklılığını ve kullanılabilirliğini artırabildiğini gösterir.

Ek olarak araştırma ekibi, tanik asidin ne zaman eklendiğine bakılmaksızın, tannik asidin halihazırda oluşturulmuş hidrojelin iç ağ yapısını (jel ağı) stabil bir şekilde güçlendirdiğini doğruladı. Bu, tannik asidin molekülleri birden fazla noktada bağlayarak hidrojelin iç yapısının tutarlı bir şekilde sağlam kalmasını sağladığı anlamına gelir.

Yapışma ve bozulmanın dengelenmesi

Özellikle araştırma ekibi hızlı bozunabilirlik ve güçlü yapışkanlığa aynı anda ulaşmayı başardı.

İnsan mide ve bağırsak ortamlarını simüle eden deneylerde, tanik asit içeren hidrojel, cilde ve pürüzlü yüzeylere güçlü bir şekilde yapışırken nispeten hızlı bir şekilde ayrıştı.

Bu, yara iyileştirici pansumanların kullanım sırasında kolayca düşmeyeceği, ancak rollerini tamamladıktan sonra doğal olarak bozulabileceği ve ilaç dağıtım bantlarının, ilaçları istenen süre boyunca stabil bir şekilde dağıtmak için kullanılabileceği anlamına gelir.

Bu çalışma, karmaşık kimyasal sentez süreçleri olmadan yalnızca gıdada kullanılabilir doğal bileşenler kullanarak hidrojelin gücünü, yapışkanlığını ve bozunma oranını aynı anda kontrol edebilen bir tasarım ilkesi sunmaktadır.

Araştırma ekibi bu teknolojinin gıda ve fonksiyonel gıdalara yönelik kapsüller ve kaplama malzemeleri, cilde yapışan kozmetikler ve cilt bakım ürünleri, yara pansumanları, ilaç dağıtım yamaları ve doku mühendisliği iskeleleri gibi biyo ve sağlıkla ilgili çeşitli alanlarda kullanılmasını bekliyor.

Profesör Haeshin Lee, “Bu çalışma, hidrojelin mekanik mukavemetinin, yapışkanlığının ve bozunma davranışının yalnızca doğal olarak elde edilen malzemeler kullanılarak birlikte tasarlanabileceğini gösteren bir örnektir” dedi ve ekledi: “Gıda, kozmetik ve biyomateryal alanlarında daha güvenli ve daha basit bir doğal polimer jel platformuna genişletilebilir.”