Využití mikroskopie atomárních sil ke studiu hydrogelových systémů na bázi polyethylenglykolu

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá stanovením mechanických vlastností hydrogelů na bázi polyethylenglykolu (PEG) na lokální (mikroskopické) úrovni pomocí mikroskopu atomárních sil (AFM). AFM umožňuje měření nabobtnalých hydrogelů v jejich nativním stavu, což eliminuje faktory ovlivňující jejich strukturu a vlastnosti po předpřípravě vzorků pomocí sušení nebo lyofilizace. Pro měření mechanických vlastností na lokální úrovni byl vybrán kontaktní mód konkrétně Contact mode force mapping. Před samotným měřením bylo nutné optimalizovat parametry měření včetně výběru geometrie. Při charakterizaci hydrogelů na bázi PEG byl sledován vliv způsobu jejich přípravy a dále vliv přídavku polymerů vedoucího k tvorbě semi-interpenetrovaných (semi-IPN) a interpenetrovaných (IPN) hydrogelů na jejich výsledné mechanické vlastnosti na lokální úrovni. Bylo zjištěno, že výběr geometrie má výrazný vliv na výsledné hodnoty Youngova modulu pružnosti (E), které byly naměřeny pomocí AFM. Se vzrůstající hodnotou přítlačné síly (setpoint) rostla hodnota E. Dále bylo pozorováno, že po optimalizaci způsobu přípravy došlo ke stabilizaci mechanických vlastností hydrogelů v čase (tj. stabilizovala se hodnota E). Hodnoty E současně mírně rostly s přídavkem polystyrensulfonátu sodného za vzniku semi-IPN hydrogelu a výrazně rostly s přídavkem alginátu sodného, který byl síťován pomocí vápenatých iontů za vzniku IPN hydrogelu. Při bobtnacím experimentu, jehož cílem bylo stanovení stupně nabobtnání bylo zjištěno, že část nezesíťovaného polymerního podílu hydrogelu se pravděpodobně vyplavuje při bobtnání hydrogelu. Data získaná při měření pomocí AFM byla taktéž použita pro výpočet hodnot E v programu MS Excel pomocí modelu Hertz/Sneddon. To bylo prováděno za účelem pochopení výpočtu hodnot E pomocí softwaru AFM a posouzení vlivu jednotlivých proměnných na hodnoty E. Největší vliv ze všech proměnných byl zaznamenán u indentační hloubky, která je hlavní příčinou rozdílnosti naměřených a vypočtených hodnot E.This diploma thesis focuses on the determination of mechanical properties of poly(ethylene glycol) (PEG)-based hydrogels at the local (microscopic) scale using atomic force microscopy (AFM). AFM allows measurements of swollen hydrogels in their native state, eliminating factors that may affect their structure and properties due to sample pre-treatment such as drying or lyophilisation. For mechanical characterisation, the contact mode – specifically Contact mode force mapping – was selected. Prior to the measurement, it was necessary to optimise the measurement parameters, including the choice of AFM probe. In the characterisation of PEG-based hydrogels, the influence of the preparation method and the effect of added polymers forming semi-interpenetrating (semi-IPN) and interpenetrating (IPN) hydrogels on the resulting local mechanical properties were studied. It was found that choice of AFM probe had a significant influence on the resulting values of the Young’s modulus (E), as measured by AFM. As the setpoint force increased, the E value increased. Furthermore, it was observed that the optimised preparation method led to the stabilisation of the mechanical properties of the hydrogel over time (i.e., stabilisation of the E value). E values slightly increased with the addition of sodium polystyrene sulfonate forming a semi-IPN hydrogel, and increased significantly with the addition of sodium alginate crosslinked by calcium ions, resulting in an IPN hydrogel. During the swelling experiment, which aimed to determine the swelling ratio, it was found that a portion of the non-crosslinked polymer was likely released during hydrogel swelling. Data obtained from AFM measurements were also used to calculate E values in Microsoft Excel using the Hertz/Sneddon model. This was done to better understand how E is computed in AFM software and to assess the influence of individual parameters on E. The most significant influence among all variables was attributed to indentation depth, which was identified as the main cause of differences between the measured and calculated values of E.