Hydrogeelien lämpöaloitteinen polymeroituminen

Abstract

Opinnäytetyö suoritettiin Tampereen yliopistolla hydrogeelejä tutkivassa tutki-musryhmässä. Työn tavoitteena oli optimoida siinä käytetyn hydrogeelin läm-pöaloitteista muodostumista sekä sen kinetiikkaa hyödyntäen reologisia mit-tauksia. Tarkoituksena työssä oli tutkia siinä käytetyn hydrogeelin reologisia ominaisuuksia sekä selvittää, miten eri parametrien muuttaminen vaikuttaa hydrogeelin muodostumiskinetiikkaan.

Hydrogeelit ovat polymeeriverkostoja, jotka voivat pitää sisällään suuria määriä nestettä. Ne ovat nousseet viime vuosikymmenien aikana merkittäväksi tutki-muksen kohteeksi erityisesti biolääketieteessä. Työssä käytetty hydrogeeli koostui kahdesta polymeeristä: gelatiinimetakrylaatista ja polyetyleeniglykoli-diakrylaatista, sekä metaanisulfonihappo-komonomeeristä ja 2,2'-atsobis[2-(2-imidatsoli-2-yyli) propaani] dihydrokloridi -lämpöinitiaattorista.

Hydrogeeliä ja sen muodostumiskinetiikkaa tutkittiin työssä reologisten mittaus-ten avulla. Käytettyjä mittausmenetelmiä oli kaksi: aikapyyhkäisymenetelmä ja taajuuspyyhkäisymenetelmä. Molemmat menetelmät olivat oskillointimittauksia. Aikapyyhkäisyssä hydrogeeli muodostettiin mittauksen aikana lämmön avulla ja tulokset mitattiin ajan funktiona. Taajuuspyyhkäisyssä hydrogeeli oli muo-dostettu ennen mittausta ja tulokset mitattiin oskillointitaajuuden funktiona.

Mitattavia parametrejä työssä oli MSA:n, AIPH-konsentraation ja haihtumisen vaikutus mittaustuloksiin. Aikapyyhkäisymittauksissa MSA:n vaikutus tuloksiin ei ollut huomattava, AIPH:n konsentraatio vaikutti tuloksiin tiettyyn konsentraa-tioon asti ja haihtuminen vaikutti tuloksiin erittäin paljon tuottamalla virhettä. Tulosten perusteella päätettiin mitata vielä MSA:n vaikutus taajuuspyyhkäisy-menetelmällä, jolla saatiin haihtumisen vaikutus poistettua. Tällä menetelmällä MSA:n vaikutus tuloksiin nähtiin selkeämmin ja se paransi tuloksia parhaim-millaan melkein kaksinkertaisesti.

Tulokset osoittivat, että MSA:n lisääminen näytteeseen on kannattavaa reakti-on kannalta, AIPH-konsentraatio ei enää tietyn pisteen jälkeen vaikuta reakti-oon ja haihtuminen on iso virhelähde aikapyyhkäisymenetelmässä. Rinnak-kaismäärityksiä ei voitu suorittaa paljoakaan, ja mittaukset olivat tämän vuoksi ennen muuta kvalitatiivisia ja suuntaa antavia. Jatkotutkimuksena voisi analy-soida enemmän rinnakkaismäärityksiä, tutkia eri MSA:n konsentraatioita, tutkia eri polymeerien konsentraatioita ja optimoida analyysimenetelmää luotetta-vammaksi.

This thesis was done at Tampere university in a research group that researches hydrogels for biomedical applications. The aim of the thesis was to optimise the formation and kinetics of the hydrogel under examination. More particularly, the aim was to study the rheological behavior of the hydrogel and how changing different parameters affect the formation of the hydrogel.

Hydrogels consist of polymer networks that can hold water for up to 1000 times their dry weight. Hydrogels have garnered a lot of attention in the biomedical field in the last few decades because of their biocompatible and flexible properties. The hydrogel used in this thesis consists of two polymers: gelatin methacrylate (GelMA) and polyethyleneglycol diacrylate (PEGDA), a comonomer: methanesulfonic acid (MSA) and a thermal initiator: 2,2'-azobis[2-(2-imidazol-2-yl) propane] dihydrochloride (AIPH).

The analyses of the hydrogel formation kinetics were done with rheological oscillatory measurements. Two different methods were used in the thesis: time sweep and frequency sweep. In the time sweep measurements the hydrogel was formed during the measurement and in the frequency sweeps the hydrogel was formed prior to the measurements.

The parameters analysed in this thesis were the effect of MSA-comonomer, AIPH-concentration and water evaporation. Results from the time sweep tests showed that the presence of MSA in the gel did not create notable difference in the formation kinetics. The AIPH-concentration improved the kinetics to a certain point, after which no significant progress was observed. Lastly, the evaporation of water in the sample created a notable error in the results. This led to analysing the effect of MSA with the frequency sweep method in which the effect of evaporation was eliminated. The results showed that adding MSA to the sample improved the hydrogels formation kinetics by almost 100 %.

According to the results, adding MSA to the sample is a positive change, AIPH-concentration does not affect the kinetics significantly and water evaporation is a major source of error in the time sweep method. The measurements were more qualitative and indicative rather than exact values. Further research forthis thesis could be conducted by analysing more samples, different MSA concentrations and trying to develop a more reliable and consistent method for measurements.