Mechanické vlastnosti hydrogelových systémů studované na mikro/makro úrovni

Abstract

Tato bakalářská práce pojednává o přípravě a měření mechanických vlastností hydrogelových systémů z roztoků hedvábného fibroinu, přičemž mechanické vlastnosti jsou zkoumány makroskopicky i mikroskopicky pomocí reometrie a mikroskopie atomárních sil (AFM). Příprava fibroinových hydrogelů probíhala několika způsoby, kdy byly zvoleny k porovnání fibroiny různého původu, různá rozpouštědla fibroinu, různé typy síťování a různé koncentrace roztoků fibroinu, vedoucí ke vzniku hydrogelové sítě tvořené kovalentními či nekovalentními vazbami. Všechny tyto aspekty vedly k porovnání a vyvození nejvhodnějšího postupu k připravení hydrogelu s nejlepší mechanickou odolností vůči deformaci. Hedvábný fibroin byl izolován z kukel bource morušového a z komerčního hedvábí, přičemž rozdíly v jeho struktuře byly pozorovány pomocí infračervené spektrometrie s Fourierovou transformací (FTIR). Zvolenými rozpouštědly byly roztoky chloridu zinečnatého, bromidu lithného a Ajisawovo rozpouštědlo. Hydrogely byly z vodných roztoků, získaných dialýzou, připravovány fyzikálně, chemicky za pomocí genipinu a enzymaticky použitím peroxidázy z křene. Všechny přístupy byly zvoleny tak, aby nebyla narušena biokompatibilita hydrogelového systému. Největší část práce se zabývá právě přípravou hydrogelů a jejich následným reologickým měřením. Reometricky byla pomocí amplitudových testů sledována závislost viskoelastických modulů na smykové rychlosti, z čehož byla následně stanovována viskoelastická oblast s komplexním modulem, popisující mechanickou odolnost hydrogelu jako celku. Provedeny byly též frekvenční testy, u kterých byla sledována závislost viskoelastických modulů na frekvenci, sloužící k porovnání, zda se daný systém chová více jako pevná látka nebo jako kapalina. Lokální mechanické vlastnosti byly zkoumány AFM v poklepávacím režimu, zvoleným z důvodu minimalizace rizika poškození měkkých vzorků. Sledovala se zde změna velikosti Youngových modulů v závislosti na konkrétním místě povrchu hydrogelu. Kromě přístrojových měření byly některé hydrogely podrobeny zkouškám bobtnání, ke zjištění, zda a jak moc reverzibilní tyto systémy jsou.This bachelor thesis deals with the preparation and measurement of the mechanical properties of silk fibroin hydrogels, where the mechanical properties are investigated macroscopically and microscopically using rheometry and atomic force microscopy (AFM). The preparation of silk fibroin hydrogels was carried out in several ways, where fibroin of different origin, different fibroin solvents, different types of crosslinking and different concentrations of fibroin solutions were chosen for comparison, leading to the formation of a hydrogel network formed by covallent or non-covallent bonds. All these aspects led to compare and deduce the most suitable procedure to prepare the hydrogel with the best mechanical resistance to deformation. Silk fibroin was isolated from silkworm cocoons and from commercial silk and the differences in its structure were observed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The solvents chosen were zinc chloride solution, lithium bromide solution and Ajisawa´s reagent. Hydrogels were prepared from aqueous solutions obtained by dialysis via physical crosslinking, chemically using genipin and enzymaticcaly using horseradish peroxidase. All approaches were chosen so that the biokompatibility of the hydrogel systém was not compromised. The largest part of the work deals specifically with the preparation of the hydrogels an their subsequent rheological measurements. The dependence of viskoelasic moduli on shear rate was monitored rheometically using amplitude tests, from which a viscoelastic region with a complex modulus was subsequently determined, describing the mechanical resistance of the hydrogel as a whole. Frequency tests were also carried out, where the frequency dependence of the viscoelastic moduli was monitored to compare whether the systém behaves more like a solid or a liquid. Local mechanical properties were investigated by AFM in tapping mode, chosen to minimise the risk of damage to soft samples. The change in the magnitude of the Young´s moduli was monitored as a function of specific location of the hydrogel surface. In addition to the instrumentál measurements, some hydrogels were subjected to swelling tests to determine whether and how reversible these systems are.