Cross-correlation of mechanical properties of hydrogels on micro/macro-scale studied by atomic force microscopy and oscillation rheometry

Tato bakalářská práce se zabývá měřením mechanických vlastností hydrogelů na lokální a makroskopické úrovni pomocí mikroskopu atomárních sil (AFM) respektive oscilační reometrie. Obě tyto techniky umožňují stanovení mechanických vlastností hydrogelu v hydratovaném stavu, čímž je zachována nativita vzorků a do měření nejsou vnášeny artefakty, které by mohly negativně ovlivnit výsledky měření. AFM má více módů měření, kdy pro účely této práce byl zvolen mód silového mapování pomocí kontaktního měření (Contact mode force mapping) realizovaného v oscilačním módu (tapping mode). Největší část práce se zabývá měřením agarózového hydrogelu, který je zástupcem fyzikálně síťovaného hydrogelu, konkrétně je zkoumán vliv koncentrace biopolymerní složky v hydrogelu a časové závislosti (synereze hydrogelu) pomocí obou technik. Použitelnost mikroskopu atomárních sil pro měření mechanických vlastností na lokální úrovni byla testována i na dalších materiálech (hydrogelech) s různým charakterem zesíťování. Testován byl hydrogel na bázi alginátu sodného zesíťovaný pomocí vícemocných (vápenatých) iontů. Dalšími měřenými gely byly chemické gely, a sice polyethylenglykolový (PEG) hydrogel a organogel ethylen-propylen-dienového monomeru (EPDM). U PEG hydrogelu byla měřena časová závislost (stárnutí hydrogelu), kdy byla pozorována vysoká absorpce vody a bobtnání, které přešlo v rozpouštění hydrogelu. Naproti tomu EPDM organogel je vůči vodě inertní, proto byl tento vzorek použit jako standard pro AFM měření. Krom Youngova modulu, coby základního parametru charakterizujícího mechanické vlastnosti na lokální úrovni pro hydrogel v nabobtnaném stavu, byla u EPDM pilotně testována i možnost stanovení adheze a adhezní práce.This bachelor thesis focuses on measurement of mechanical properties of hydrogels on local and macroscopic level by atomic force microscopy (AFM) and oscillation rheometry. Both techniques allows measurement of hydrogel in hydrated state which provides native state of measured samples and prevents them from inserting artefacts into measurements made by AFM, which could negatively change measured values. AFM has more measuring modes, but for measurement in this bachelor thesis was used tapping mode called Contact mode force mapping. The largest part of this work is concentrated on measurement of agarose hydrogel, which pertains to category of physical hydrogels, concretely concentration line and time dependency (syneresis of hydrogel) were measured by both techniques. Suitability of AFM for measuring of mechanical properties of hydrogels was tested on other hydrogel samples with different type of crosslinking. Hydrogel based on sodium alginate crosslinked by calcium ionts (Ca2+) was tested. Furthermore were measured two chemical gels including polyethylenglycol (PEG) hydrogel and organogel of ethylene propylene-diene monomer (EPDM). Measurement of PEG hydrogel included time dependency due to its swelling and absorption behaviour, which led into dissolving of PEG hydrogel. EPDM organogel is not dissolving in water, so it was measured as a standard for AFM measurements. In addition to Young’s modulus as a base parameter for measurement of hydrogels in swollen state, was adhesion and work of adhesion tested in case of EPDM gels.