Hydrogely modifikované vláknitými strukturami

Abstract

Tato dizertační práce se zabývá studiem hydrogelů modifikovaných vláknitými strukturami. Jedním z cílů práce bylo navrhnout materiály vhodné pro použití jako vláknité struktury i jako hydrogelové matrice. Z tohoto důvodu byla kapitola současný stav řešené problematiky zaměřena na využití přírodních a syntetických materiálů, které tvoří jak hydrogely, tak i vláknité struktury, a jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Pro experimentální část byly na základě literární rešerše vybrány – agaróza pro základní hydrogelovou matrici, textilní a syntetická vlákna (hedvábí, nylon, viskóza a uhlíková vlákna) pro studium vlivu přítomnosti makroskopických vláken, a kolagen a fibroin jakožto přírodní molekulární vláknité struktury. V této práci byly využity základní fyzikálně-chemické metody, jako je skenovací elektronová mikroskopie, infračervená spektroskopie nebo diferenciální skenovací kalorimetrie, pro charakterizaci vláknitých struktur. Hlavním cílem této práce bylo stanovit, jaký vliv mají vláknité struktury na mechanické a transportní vlastnosti hydrogelů. Mechanické vlastnosti těchto hydrogelů v kombinaci s vláknitými strukturami byly studovány pomocí oscilační reologie. Pro charakterizaci viskoelastického chování hydrogelů byly provedeny amplitudové testy, díky kterým mohly být jednotlivé vzorky porovnány z hlediska velikostí viskoelastických modulů, jejich překřížení a konce jejich lineární oblasti. Z frekvenčních testů bylo možné získat velikosti ok v hydrogelové síti. Transportní vlastnosti v těchto hydrogelech byly sledovány difuzí modelových barviv – kladně nabité methylenové modři a negativně nabitého eosinu B. Pro stanovení difuze těchto barviv ve vzorcích byla použita metoda difuze z konstantního zdroje, při které dochází ke spektrofotometrickému stanovení barviva prošlého vzorkem v určitém čase. Při experimentech bylo pozorováno, že různé poměry kolagenu a fibroinu mají rozdílné vlivy na mechanické a transportní vlastnosti, takže specifickým složením vzorku lze vytvořit materiál na míru s požadovanými vlastnostmi. Tato dizertační práce pak tvoří ucelený soubor informací a poznatků o způsobech přípravy hydrogelů s vláknitými strukturami, základních charakteristikách těchto materiálů a jejich fyzikálně-chemických vlastnostech, což vede nejen k pochopení, jak přítomnost vláknitých struktur ovlivňuje hydrogely, ale může sloužit i k budoucí tvorbě pokročilejších materiálů.

This dissertation focuses on the study of hydrogels modified with fibrous structures. One of the objectives of this work was to design materials suitable for use both as fibrous structures and as hydrogel matrices. For this purpose, the chapter on the current state of the addressed issue was focused on the utilization of natural and synthetic materials, which form both hydrogels and fibrous structures, and their physicochemical properties. The experimental part selected agarose for the basic hydrogel matrix, textile and synthetic fibers (silk, nylon, viscose, and carbon fibers) to study the influence of macroscopic fibers' presence, and collagen and fibroin as natural molecular fibrous structures. Basic physicochemical methods such as scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, and differential scanning calorimetry were employed in this work for the characterization of fibrous structures. The main goal of this research was to determine the impact of fibrous structures on the mechanical and transport properties of hydrogels. Mechanical properties of these hydrogels, in combination with fibrous structures, were studied using oscillatory rheology. For the characterization of the viscoelastic behavior of hydrogels, amplitude tests were performed, which allowed the comparison of individual samples in terms of the sizes of viscoelastic moduli, their crossover points, and the end of their linear region. Frequency tests provided information about the mesh sizes in the hydrogel network. The transport properties in these hydrogels were investigated by diffusion of model dyes – positively charged methylene blue and negatively charged eosin B. The method of constant source diffusion was used to determine the diffusion of these dyes in the samples, and the absorbance of the dye that passed through the sample was measured at certain time intervals. During the experiments, it was observed that different ratios of collagen and fibroin have distinct effects on mechanical and transport properties, allowing the creation of tailored materials with desired properties. This dissertation thus constitutes a comprehensive set of information and knowledge on methods of preparing hydrogels with fibrous structures, their fundamental characteristics, and their physicochemical properties, leading not only to an understanding of how the presence of fibrous structures affects hydrogels but also to the potential development of advanced materials.