حمض الألجينيك

حمض الألجينيك ، المعروف أيضاً باسم الألجين ، هو عديد سكاريد طبيعي صالح للأكل يوجد في الطحالب البنية . وهو محب للماء ، ويُكوّن مادة صمغية لزجة عند ترطيبه. وعندما يرتبط حمض الألجينيك بأيونات الصوديوم والكالسيوم، تُعرف الأملاح الناتجة باسم الألجينات . ويتراوح لونه من الأبيض إلى البني المصفر. ويُباع على شكل خيوط أو حبيبات أو مسحوق.

يُعدّ هذا المكوّن عنصرًا هامًا في الأغشية الحيوية التي تُنتجها بكتيريا الزائفة الزنجارية ، وهي من مسببات الأمراض الرئيسية الموجودة في رئتي بعض المصابين بالتليف الكيسي . ^{[ 1 ]} يتميز كلٌّ من الغشاء الحيوي وبكتيريا الزائفة الزنجارية بمقاومة عالية للمضادات الحيوية ، ^{[ 2 ]} ولكنهما عرضة للتثبيط بواسطة البلاعم . ^{[ 3 ]}

اكتشف العالم الكيميائي البريطاني إي سي سي ستانفورد مادة الألجينات عام 1881، وحصل على براءة اختراع لعملية استخلاصها في العام نفسه. ^{[ 4 ]} في براءة الاختراع الأصلية، كان يتم استخلاص الألجينات عن طريق نقع الطحالب أولاً في الماء أو حمض مخفف. ثم يُعالج حمض الألجينيك غير القابل للذوبان الناتج بمحلول قلوي مثل كربونات الصوديوم ، مما ينتج عنه ألجينات الصوديوم، قبل ترسيب الألجينات وتنقيتها من المحلول. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

حمض الألجنيك هو بوليمر مشترك خطي يتكون من وحدات متجانسة من بقايا β-D- مانورونات (M) و α-L- جولورونات (G) المرتبطة تساهميًا بروابط (1→4) في تسلسلات أو وحدات مختلفة. قد تظهر المونومرات في وحدات متجانسة من بقايا G متتالية (وحدات G)، أو بقايا M متتالية (وحدات M)، أو بقايا M و G متناوبة (وحدات MG). α-L-جولورونات هو المتماثل الفراغي C-5 لـ β-D-مانورونات. ^{[ 7 ]}

تُستخلص الألجينات من الطحالب البنية . في جميع أنحاء العالم، تُحصد كميات كبيرة من الطحالب البنية من فئة Phaeophyceae لمعالجتها وتحويلها إلى ألجينات الصوديوم. تُستخدم ألجينات الصوديوم في العديد من الصناعات، بما في ذلك الأغذية، وأعلاف الحيوانات، والأسمدة، وطباعة المنسوجات، والمستحضرات الصيدلانية. كما تُستخدم الألجينات في مواد طباعة الأسنان كوسيلة للتصلب. وتُعد الألجينات الغذائية مكونًا معتمدًا في الأطعمة المصنعة والمعالجة. ^{[ 8 ]}

تتفاوت أحجام الطحالب البنية من عشب البحر العملاق (Macrocystis pyrifera) الذي قد يصل طوله إلى 20-40 مترًا، إلى طحالب سميكة تشبه الجلد يتراوح طولها بين 2-4 أمتار، وصولًا إلى أنواع أصغر يتراوح  طولها بين 30-60 سم. يُجمع معظم الطحالب البنية المستخدمة في صناعة الألجينات من البرية، باستثناء طحلب Laminaria japonica الذي يُزرع في الصين للاستهلاك الغذائي، ويُحوّل فائض إنتاجه إلى صناعة الألجينات في الصين. ^{[ 9 ]}

تختلف الألجينات المستخرجة من أنواع مختلفة من الطحالب البنية في تركيبها الكيميائي، مما يؤدي إلى اختلاف خصائصها الفيزيائية. فبعض الأنواع تُنتج ألجينات ذات قوام هلامي قوي ، بينما تُنتج أنواع أخرى هلامًا أضعف، وقد تُنتج بعضها ألجينات كريمية أو بيضاء اللون، في حين يصعب تكوين هلام لدى أنواع أخرى، وتُستخدم على نحو أفضل في التطبيقات التقنية التي لا يُشكل فيها اللون أهمية. ^{[ 10 ]}

يُستخلص الألجينات التجاري من طحالب عشب البحر العملاقة Macrocystis pyrifera و Ascophyllum nodosum وأنواع من Laminaria . كما تُنتج الألجينات بواسطة جنسين من البكتيريا هما Pseudomonas و Azotobacter ، واللذان لعبا دورًا رئيسيًا في الكشف عن مسار التخليق الحيوي لها . تُعد الألجينات البكتيرية مفيدة في إنتاج هياكل دقيقة أو نانوية مناسبة للتطبيقات الطبية. ^{[ 11 ]}

ألجينات الصوديوم ( _{NaC₆H₇O₆ )} هو _ملح الصوديوم لحمض الألجينيك. ألجينات الصوديوم مادة صمغية .

ألجينات البوتاسيوم (KC ₆ H ₇ O _{6 ) هو} ملح البوتاسيوم لحمض الألجينيك.

ألجينات الكالسيوم ₍ CaC12H14O12 _{) هو ملح الكالسيوم لحمض الألجينيك} . ويتم تصنيعه عن طريق استبدال أيون الصوديوم في ألجينات الصوديوم بأيون الكالسيوم ( التبادل الأيوني ).

تنقسم عملية تصنيع ألجينات الصوديوم من الطحالب البنية إلى فئتين: 1) طريقة ألجينات الكالسيوم، حيث تُعالج الطحالب البنية أولاً بكلوريد الكالسيوم لتكوين وسيط ألجينات الكالسيوم قبل غسلها بحمض الهيدروكلوريك، و2) طريقة حمض الألجينيك، حيث لا يوجد وسيط ألجينات الكالسيوم، وتُعالج الطحالب البنية بحمض الهيدروكلوريك فقط لاستخلاص ألجينات الصوديوم. ^{[ 9 ]}

من الناحية الكيميائية، تُعدّ العملية بسيطة، لكن الصعوبات تنشأ من عمليات الفصل الفيزيائي المطلوبة بين الرواسب اللزجة الناتجة عن المحاليل اللزجة، وفصل الرواسب الهلامية التي تحتوي على كميات كبيرة من السائل داخل بنيتها، مما يجعلها مقاومة للترشيح والطرد المركزي . ^{[ 9 ]} تتطلب العملية التقليدية كميات كبيرة من الكواشف والمذيبات، بالإضافة إلى خطوات تستغرق وقتًا طويلاً. ^{[ 4 ]} أما التقنيات الأبسط والأحدث، مثل الاستخلاص بمساعدة الموجات الدقيقة، والموجات فوق الصوتية، والضغط العالي، والاستخلاص بالسوائل المضغوطة، والاستخلاص بمساعدة الإنزيمات، فهي قيد البحث. ^{[ 4 ]}

تتضمن عملية الاستخلاص التقليدية الأكثر شيوعًا ست خطوات: المعالجة الأولية للكتلة الحيوية للطحالب، والمعالجة الحمضية، والاستخلاص القلوي، والترسيب، والتبييض، والتجفيف. ^{[ 4 ]} تهدف المعالجات الأولية بشكل أساسي إما إلى تكسير جدار الخلية للمساعدة في استخلاص الألجينات، أو إزالة المركبات والملوثات الأخرى من الطحالب. ^{[ 4 ]} يُعد التجفيف من النوع الأول، ويساعد أيضًا على منع نمو البكتيريا؛ وعادةً ما تُطحن الطحالب المجففة لزيادة مساحة سطحها. ^{[ 4 ]} تشمل المعالجات الشائعة لإزالة الملوثات المعالجة بالإيثانول والفورمالديهايد ، والأخير شائع جدًا؛ إذ تساعد محاليل الإيثانول على إزالة المركبات المرتبطة بالألجينات، بينما تساعد محاليل الفورمالديهايد على منع التفاعلات الإنزيمية أو الميكروبية. ^{[ 4 ]}

تُعالج الطحالب بعد ذلك بمحلول حمضي للمساعدة في تكسير جدران الخلايا، مما يحول أملاح الألجينات إلى حمض الألجينيك غير القابل للذوبان؛ ثم يُضاف محلول قلوي (درجة حموضة 9-10)، عادةً كربونات الصوديوم ، ليحولها مرة أخرى إلى ألجينات الصوديوم القابلة للذوبان في الماء، والتي تُرسب بعد ذلك. ^{[ 4 ]} من الممكن أيضًا استخلاص الألجينات مباشرةً باستخدام المعالجة القلوية، ولكن هذا أقل شيوعًا. ^{[ 4 ]}

يُرسب حمض الألجينيك عادةً، عبر تقنيات مختلفة، باستخدام الكحول (عادةً الإيثانول)، أو كلوريد الكالسيوم ، أو حمض الهيدروكلوريك . ^{[ 4 ]} بعد ترسيب الألجينين إلى عجينة ناعمة، يُجفف ويُطحن إلى الحجم المطلوب، ثم يُنقى باستخدام تقنيات متنوعة. ^{[ 4 ]} يُستخلص الألجينات التجاري للاستخدامات الطبية الحيوية والصيدلانية ويُنقى بتقنيات أكثر دقة، لكن هذه التقنيات تُعد أسرارًا تجارية. ^{[ 4 ]}

المشتقات

يمكن إنتاج مواد متنوعة قائمة على الألجينات، بما في ذلك مواد السقالات المسامية، وهيدروجيل الألجينات، والأقمشة غير المنسوجة، وأغشية الألجينات. ^{[ 12 ]} تشمل التقنيات المستخدمة في إنتاج هذه المواد الربط الأيوني، والغزل الميكروفلويدي، والتجفيف بالتجميد، والغزل الرطب، والغزل النفاث المركزي الغاطس. ^{[ 12 ]}

تُضاف أملاح الكالسيوم إلى محلول ألجينات الصوديوم لتحفيز الترابط الأيوني، مما ينتج عنه الهيدروجيل. ويؤدي تجفيف الهيدروجيل بالتجميد لإزالة الماء إلى إنتاج مادة السقالة المسامية. ^{[ 12 ]}

تتضمن عملية الغزل الرطب بثق محلول الألجينات من مغزل إلى محلول ملح الكالسيوم لتحفيز الترابط الأيوني (تكوين الهلام)، ثم سحب الألياف من المحلول باستخدام بكرات السحب. أما الغزل الميكروفلويدي، وهو تطبيق أبسط وأكثر ملاءمة للبيئة لهذه العملية، فيتضمن إدخال تيارات من ملح الكالسيوم تتدفق بمحاذاة تيار مركزي من الألجينات وتلامسه. تشكل هذه التيارات غلافًا. ثم تخرج الألياف من هذا التيار المركزي. يمكن استخدام هذه التقنية لإنتاج ألياف ذات أشكال وأخاديد. ^{[ 12 ]}

تُنتَج ألياف الألجينات، المستخدمة في صناعة الأقمشة، عادةً من خلال الغزل الميكروفلويدي، أو الغزل الرطب، أو الغزل الكهربائي للحصول على ألياف أرق. ^{[ 12 ]} تُستخدم هذه الألياف في إنتاج أقمشة الألجينات غير المنسوجة عن طريق التمشيط والتثقيب بالإبر. وتُستخدم الأقمشة الناتجة في ضمادات الجروح، وأقنعة الوجه، ودعامات الأنسجة نظرًا لقدرتها على امتصاص الرطوبة والاحتفاظ بها. ^{[ 12 ]}

بحلول عام 2022، أصبح الألجينات أحد أكثر المواد المفضلة كونه بوليمرًا حيويًا طبيعيًا وفيرًا. ^{[ 12 ]} وهو مفيد بشكل خاص كمادة حيوية نظرًا لعدم سميته، وقدرته على امتصاص الرطوبة ، وتوافقه الحيوي ، وقدرته على محاكاة البيئات الحيوية المحلية؛ ويمكن للكلى التخلص بسهولة من نواتج تحلله. ^{[ 12 ]}

يمتص الألجينات الماء بسرعة، مما يجعله مفيدًا كمادة مضافة في المنتجات المجففة مثل مساعدات التخسيس ، وفي صناعة الورق والمنسوجات. ^{[ 13 ]}

يُستخدم الألجينات أيضًا في صناعة الأقمشة المقاومة للماء والحريق ، وفي صناعة الأغذية كمادة مُكثِّفة للمشروبات والآيس كريم ومستحضرات التجميل، وكمادة مُجلِّدة للهلام (المعروف بالرمز E401) وأغلفة النقانق. ^{[ 14 ] [ 15 ]} يُخلط ألجينات الصوديوم مع بروتين الصويا لصنع بدائل اللحوم . ^{[ 16 ]}

يستخدم الألجينات كمكون في العديد من المستحضرات الصيدلانية ، مثل جافيسكون ، حيث يتحد مع البيكربونات لمنع الارتجاع المعدي المريئي . ^{[ 17 ]}

يستخدم ألجينات الصوديوم كمادة لصنع الطبعات في طب الأسنان ، والأطراف الصناعية ، وقوالب الحياة ، ولإنشاء نماذج إيجابية للصب على نطاق صغير . ^{[ 18 ]}

يُستخدم ألجينات الصوديوم في الطباعة بالأصباغ التفاعلية ، وكمُكثِّف للأصباغ التفاعلية في طباعة الشاشة على المنسوجات . ^{[ 19 ]} لا يتفاعل الألجينات مع هذه الأصباغ، ويُزال بسهولة بالغسل، على عكس المُكثِّفات القائمة على النشا . كما يُستخدم أيضًا كمادة للتغليف الدقيق . ^{[ 20 ]}

يُستخدم ألجينات الكالسيوم في أنواع مختلفة من المنتجات الطبية، بما في ذلك ضمادات الجروح الجلدية ، على شكل هيدروجيل، لتعزيز الشفاء، حيث يمكن للألجينات أن تزيد من قدرة الضمادات على امتصاص السوائل، مما يقلل من عدد مرات تغيير الضمادة. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

في أبحاث إعادة بناء العظام، تتمتع مركبات الألجينات بخصائص مواتية تشجع على التجديد، مثل تحسين المسامية ، وتكاثر الخلايا ، والقوة الميكانيكية . ^{[ 23 ]} يُعد هيدروجيل الألجينات مادة حيوية شائعة الاستخدام في تصنيع الدعامات الحيوية وتجديد الأنسجة. ^{[ 24 ]}

يُحسّن الربط التساهمي لمجموعات الثيول بالألجينات من خصائص التجلط الموضعي والالتصاق المخاطي؛ إذ يُشكّل البوليمر المُثيول ( الثيومر ) روابط ثنائية الكبريتيد ضمن شبكته البوليمرية ومع نطاقات فرعية غنية بالسيستين في طبقة المخاط. ^{[ 25 ]} تُستخدم الألجينات المُثيولة كهيدروجيلات مُجلّدة موضعيًا، ^{[ 26 ]} وتخضع لأبحاث أولية كنظم توصيل دوائي مُحتملة ذات التصاق مخاطي. ^{[ 27 ]} يُمكن استخدام هيدروجيلات الألجينات لتوصيل الأدوية، حيث تُظهر استجابات لتغيرات الرقم الهيدروجيني، وتغيرات درجة الحرارة، وتفاعلات الأكسدة والاختزال، ووجود الإنزيمات. ^{[ 28 ]}

يُعدّ الألجينات أحد أكثر البوليمرات استخدامًا في التغليف الحيوي ، لا سيما لتثبيت أو حماية الخلايا الحية والإنزيمات والبروتينات وغيرها من المواد النشطة بيولوجيًا. ^{[ 29 ]} ويعتمد استخدامه بشكل كبير على قدرة الألجينات الذائبة على تكوين هيدروجيلات ألجينات الكالسيوم في ظروف مائية معتدلة، مما يسمح باحتجاز المواد البيولوجية دون تعريضها لمذيبات قاسية أو درجات حرارة عالية أو تفاعلات كيميائية قوية. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

في عملية تغليف الخلايا، يمكن أن توفر حبيبات أو كبسولات الألجينات مصفوفة هيدروجيل شبه منفذة تسمح بانتشار المغذيات والأكسجين والمنتجات المفرزة، مع فصل الخلايا المغلفة فعليًا عن البيئة المحيطة. وقد دُرست هذه الطريقة في مجالات العزل المناعي، وزراعة جزر لانغرهانس، والعلاج الخلوي، وهندسة الأنسجة، والتوصيل المتحكم به للمنتجات البيولوجية. ^{[ 32 ]}

يمكن إنتاج أنظمة التغليف الحيوي بالألجينات عن طريق التقطير، والبثق، والقطع بالنفث الهوائي، وتوليد القطرات الكهروستاتيكية، والاستحلاب، والتقنيات الميكروفلويدية. وتختلف هذه التقنيات في الإنتاجية، والتحكم في حجم الحبيبات، وتوزيع الحجم، ومدى ملاءمتها لتغليف الخلايا أو الجزيئات الحيوية غير المستقرة. ^{[ 33 ]}

• حمض الهيالورونيك : عديد السكاريد في الحيوانات.
• أجار

• مصادر أعشاب بحرية من الألجينات ( مؤرشفة بتاريخ 17 سبتمبر 2013 في أرشيف الإنترنت )
• خصائص الألجينات (مؤرشفة بتاريخ 17 سبتمبر 2013 في أرشيف الإنترنت )