Hydrogely na bázi modifikovaného karagenanu

Abstract

Modifikace přírodních polymerů představuje klíčový krok při vývoji nových hydrogelových materiálů. V této diplomové práci byl přírodní polysacharid karagenan upraven pomocí methakrylát anhydridu za účelem zavedení methakrylových skupin, které umožňují následné zesíťování prostřednictvím UV polymerizace a zlepšení rozpustnosti tohoto polysacharidu. Z takto modifikovaného polymeru byly připraveny uniformní fyzikálně zesíťované hydrogely. Byl zkoumán vliv různých koncentrací polymeru na viskoelastické vlastnosti hydrogelů pomocí reologických metod a základní fyzikálně-chemické charakterizace, relevantní pro hydrogely (tj. botnání). Po úspěšné přípravě uniformních hydrogelů byla pozornost zaměřena na tvorbu dvou typů duálně zesíťovaných struktur: fyzikálně-chemických a fyzikálně-iontových. U duálně (iontově) zesíťovaných hydrogelů byla studována role použitého síťovacího činidla (KCl a CaCl) a dále vliv koncentrace iontů Ca na výslednou strukturu gelu, jeho mechanické vlastnosti a schopnost botnání. Cílem bylo také určit minimální koncentraci CaCl potřebnou pro efektivní zesíťování. Duálně (chemicky) zesíťované hydrogely byly připraveny UV polymerizací a byl sledován vliv koncentrace methakrylovaného karagenanu a doby UV osvitu na reologické a botnací vlastnosti výsledných gelů. Výsledky této práce ukázaly, že optimalizací syntézy methakrylovaného karagenanu ve fosfátovém pufru se podařilo připravit polymer vhodný pro tvorbu stabilních hydrogelů s kombinovaným fyzikálním, iontovým nebo chemickým zesíťováním, jejichž vlastnosti bylo možné cíleně ovlivňovat volbou koncentrace polymeru, typem a koncentrací iontového činidla a podmínkami UV polymerace. Výsledné hydrogely vykazovaly dobrou mechanickou stabilitu, nastavitelnou schopnost botnání a strukturální soudržnost i ve vodném prostředí, což je činí vhodnými pro aplikace v oblasti tkáňového inženýrství a cíleného podávání léčiv.

The modification of natural polymers represents a key step in the development of new hydrogel materials. In this thesis, the natural polysaccharide carrageenan was modified using methacrylic anhydride in order to introduce methacrylate groups, which enable subsequent crosslinking via UV polymerization and improve the solubility of the polysaccharide. Uniform physically crosslinked hydrogels were prepared from the modified polymer. The effect of various polymer concentrations on the viscoelastic properties of the hydrogels was investigated using rheological methods and basic physicochemical characterization relevant to hydrogels (i.e., swelling behavior). After the successful preparation of uniform hydrogels, attention was focused on the development of two types of dual crosslinked structures: physical-chemical and physical-ionic. For ionically dual crosslinked hydrogels, the role of the crosslinking agent (KCl and CaCl) was studied, as well as the effect of Ca ion concentration on the resulting gel structure, mechanical properties, and swelling capacity. One of the goals was also to determine the minimum CaCl concentration required for effective crosslinking. Chemically dual crosslinked hydrogels were prepared via UV polymerization, and the influence of the concentration of methacrylated carrageenan and UV exposure time on the rheological and swelling properties of the resulting gels was evaluated. The results of this study demonstrated that by optimizing the synthesis of methacrylated carrageenan in phosphate buffer, it was possible to obtain a polymer suitable for the formation of stable hydrogels with physical, ionic, or chemical crosslinking. The properties of the hydrogels could be precisely tuned by adjusting the polymer concentration, the type and concentration of the ionic crosslinking agent, and the UV polymerization conditions. The final hydrogels exhibited good mechanical stability, adjustable swelling capacity, and structural integrity even in aqueous environments, making them promising candidates for applications in tissue engineering and controlled drug delivery.