Propiedades de transporte de co-solutos en hidrogeles termosensibles

129 páginas. Doctorado en Ciencias e Ingeniería de Materiales.En este trabajo presentamos un estudio acerca de la transferencia de masa de diferentes cosolutos a través de partículas de hidrogeles de poli N-Isopropilacrilamida (pNIPAM) en soluciones acuosas. Estos cosolutos son: fenol, 5- Fluorouracilo (5FU), metano y metanol. El estudio se aborda desde distintas perspectivas: combinando cálculos teóricos, simulaciones computacionales de dinámica molecular átomo-por-átomo y grano-grueso, y comparando con reportes experimentales. Las partículas de hidrogel son diseñadas con estructuras rellenas o huecas, y en particular estudiamos los procesos de encapsulación/liberación de fenol hacia/desde ellas. En la primera etapa del proyecto diseñamos un modelo original de tipo grano-grueso para geles de pNIPAM, el cual captura de forma adecuada la transición bobina-glóbulo y glóbulo-bobina del polímero. Con este modelo construimos arreglos poliméricos complejos aproximados a un hidrogel, como lo es una membrana, con los cuales se observa una mejora en el consumo de recursos de las simulaciones de hasta 54 veces. Por otra parte, los cálculos teóricos son abordados mediante la teoría del funcional de la densidad dinámico (DDFT, por sus siglas en inglés), a partir de la cual obtenemos los perfiles de densidad del cosoluto y su evolución en el tiempo. La DDFT es una técnica que permite el estudio a nivel molecular de la dinámica de sistemas Fickianos en los que los modos hidrodinámicos no son relevantes, mediante la única hipótesis de que podemos aproximar las correlaciones dinámicas por las que existirían en un sistema equivalente (con igual perfil de densidad) en equilibrio. A diferencia de otros modelos que consideran una difusión ideal, la DDFT toma en cuenta la interacción efectiva entre el polímero y el cosoluto (U ef) y entre moléculas de cosoluto, para calcular el potencial químico de la carga dentro del hidrogel, y a partir de esto, su flujo. Además, la DDFT requiere de una definición explícita del coeficiente de difusión efectivo del cosoluto dentro de la matriz de hidrogel (D ef ). Estos parámetros se extraen de simulaciones computacionales tipo átomo-por-átomo. La interacción U ef se obtiene a partir de la energía libre de trasporte, la cual se calcula con el método de relación de aceptación de Bennett (BAR en inglés). Por su parte, el D ef se calcula a partir del desplazamiento cuadrático medio de las partículas de prueba embebidas en el hidrogel y la relación de Stokes-Einstein. La validez y la implementación del método de resolución de la DDFT es probada comparando sus resultados contra simulaciones de dinámica molecular átomo-por-átomo en condiciones análogas, esto es, para la absorción de fenol en un hidrogel hueco de pNIPAM. Las predicciones teóricas y las simulaciones muestran resultados casi idénticos para los perfiles de distribución de carga y velocidades de absorción. Finalmente, realizamos una comparación entre los resultados de la DDFT con reportes experimentales obtenidos de la literatura para laliberación de fenol desde hidrogeles completamente rellenos. La longitud típica de escalado con que normalizamos las unidades en la DDFT es ajustada a las dimensiones del microgel experimental, al igual que las concentraciones iniciales. Las curvas de liberación de cosolutos obtenidas con DDFT coinciden satisfactoriamente (dentro de la misma escala temporal) con los experimentos.In this work,we studied the mass transport of different co-solutes, namely: phenol, 5FU, methane, and methanol, through pNIPAM hydrogel particles in aqueous solutions. The study is carried out by different approaches: combining theoretical calculations, all-atom and coarse-grained simulations, and also comparisons with experimental reports. The hydrogel particles are designed as solid and hollow hydrogels, and particularly we studied the encapsulation/release process of phenol cargo molecules to/from them. In the first part of the project, we devised a novel coarse-grained model for pNIPAM, which adequately captures the experimentally observed coilto-globule and globule-to-coil transitions of the polymer. With that model we build large polymer arrangements as membrane-like hydrogels and the simulation performance improves up to 54 times. On the other hand, the theoretical calculations are conducted via the dynamic density functional theory (DDFT), from which we obtain the time evolution cargo density profiles. DDFT is a technique for studying Fickian systems at a molecular level where the hydrodynamic modes are irrelevant. The hypothesis behind DDFT is that we can approximate the dynamic behavior by an equivalent (the same density profile) system in equilibrium. Unlike ideal diffusion models, this theory takes into account the polymer-cargo (Uef ) and cargo-cargo interactions to calculate the chemical potential of co-solute in the system and, from there, the flux. Also, DDFT requires an explicit definition of the effective diffusion coefficient of cargo inside the hydrogel matrix. Uef is obtained from the Free Energy of transport calculated via Bennets Acceptance Ratio method, while Def is computed from the mean square displacement (MSD) of cargo molecules inside the matrix using the Stokes-Einstein relationship. We tested our implementation of the DDFT by analyzing the absorption of phenol in a hollow hydrogel and comparing its results against all-atom MD simulations in corresponding conditions, that is, the phenol absorption into a hollow pNIPAM hydrogel. Theory and simulations show almost identical cargo distribution profiles and absorption rates. Finally, we compare the DDFT outcomes with those from experimental reports for the liberation of phenol from solid hydrogels. We change the characteristic length used to normalize the units in the DDFT code to match the same dimensions and initial cargo concentration as the experimental particles, which correspond to microgel-size ones. The DDFT release curve compares well enough within the same time scale of experiments.Investigación realizada con el apoyo del Programa Nacional de Posgrados de Calidad del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT)