Complementary-DNA-strand crosslinked polyacrylamide hydrogels

Polyacrylamide hydrogels physically crosslinked by double-stranded DNA have demonstrated potential for drug delivery, biosensing, and tissue engineering due to their programmability, mechanical tunability, molecular-recognition, and temperature reversibility. For some applications, introducing chemical crosslinks (e.g., bis-acrylamide) to the gel network is necessary. This thesis provides fundamental understanding of bis-, DNA-, and dual-crosslinked gels from macrorheology and swelling. In the rheological studies, dynamic shear moduli in the linear viscoelastic regime were measured during and following gelation, followed by creep-recovery. Swelling tests were undertaken to investigate the gel durability in the solvent. It was found that gelation with DNA crosslinker is faster and more efficient than chemical crosslinking. Time-temperature superposition was adopted to extend dynamic spectra and furnish the activation energy. For bis-crosslinked gels, the activation energy is interpreted as the potential barrier required for disentanglement, whereas, for DNA-crosslinked gels, the activation energy is the potential barrier for DNA-crosslink disengagement. DNA-crosslinked gels behave like solids on short timescales and become liquid-like on long timescales. These gels dissolve in the solvent, and the swelling ratio (prior to dissolution) increases with the gel plateau modulus. For dual-crosslinked gels, permanent crosslinks arrest creep and prevent gel dissolution in the solvent. Insights into the microstructures of the three types of gels, such as entanglements and pore sizes, are provided.Les hydrogels de polyacrylamide physiquement réticulés par de l'ADN double brin ont démontré un potentiel pour l'administration de médicaments, la biodétection et l'ingénierie tissulaire en raison de leur programmabilité, leur accordabilité mécanique, leur reconnaissance moléculaire et leur réversibilité de la température. L'introduction de réticulations chimiques (par exemple bis-acrylamide) sur le réseau de gel est nécessaire pour certaines applications. Cette thèse apporte une compréhension fondamentale des gels bis-, ADN, et double-réticulés de la macrorhéologie et du gonflement. Dans les études rhéologiques, les modules de cisaillement dynamique dans le régime viscoélastique linéaire ont été mesurés pendant et après la gélification, suivi de la récupération par fluage. Des essais de gonflement ont été entrepris pour étudier la durabilité du gel dans le solvant. Il a été trouvé que la gélification avec un agent de réticulation d'ADN est plus rapide et plus efficace qu'une réticulation chimique. La superposition de temps-température a été adoptée pour étendre les spectres dynamiques et fournir l'énergie d'activation. Pour les gels bis-réticulés, l'énergie d'activation est interprétée comme la barrière potentielle requise pour le démêlage. Pour les gels réticulés par ADN, l'énergie d'activation est la barrière potentielle pour le désengagement de l'ADN réticulé. Les gels réticulés par l'ADN se comportent comme des solides sur des échelles de temps courtes et deviennent liquides sur de longues périodes. Ces gels se dissolvent dans le solvant, et le ratio de gonflement (avant la dissolution) augmente avec le module du plateau de gel. Pour les gels à double réticulation, les réticulations permanentes arrêtent le fluage et empêchent la dissolution du gel dans le solvant. Un aperçu des microstructures des trois types de gels, tels que les enchevêtrements et les tailles de pores, sont fournis