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Transient processes with hydrogels

  • Hydrogels are known to be covalently or ionic cross-linked, hydrophilic three-dimensional polymer networks, which exist in our bodies in a biological gel form such as the vitreous humour that fills the interior of the eyes. Poly(N-isopropylacrylamide) (poly(NIPAAm)) hydrogels are attracting more interest in biomedical applications because, besides others, they exhibit a well-defined lower critical solution temperature (LCST) in water, around 31–34°C, which is close to the body temperature. This is considered to be of great interest in drug delivery, cell encapsulation, and tissue engineering applications. In this work, the poly(NIPAAm) hydrogel is synthesized by free radical polymerization. Hydrogel properties and the dimensional changes accompanied with the volume phase transition of the thermosensitive poly(NIPAAm) hydrogel were investigated in terms of Raman spectra, swelling ratio, and hydration. The thermal swelling/deswelling changes that occur at different equilibrium temperatures and different solutions (phenol, ethanol, propanol, and sodium chloride) based on Raman spectrum were investigated. In addition, Raman spectroscopy has been employed to evaluate the diffusion aspects of bovine serum albumin (BSA) and phenol through the poly(NIPAAm) network. The determination of the mutual diffusion coefficient, \(D_{mut}\) for hydrogels/solvent system was achieved successfully using Raman spectroscopy at different solute concentrations. Moreover, the mechanical properties of the hydrogel, which were investigated by uniaxial compression tests, were used to characterize the hydrogel and to determine the collective diffusion coefficient through the hydrogel. The solute release coupled with shrinking of the hydrogel particles was modelled with a bi-dimensional diffusion model with moving boundary conditions. The influence of the variable diffusion coefficient is observed and leads to a better description of the kinetic curve in the case of important deformation around the LCST. A good accordance between experimental and calculated data was obtained.
  • Hydrogele sind kovalente oder ionisch vernetzte, hydrophile, dreidimensionale Polymer netze, die auch in unseren Körpern in einer biologischen Gelform zu finden sind. Ein Beispiel hierfür ist der Glaskörper, der das Innere unseres Auges füllt. Hydrogele aus Poly(N- isopropylacrylamid) (poly(NIPAAm)) finden große Beachtung in biomedizinischen Anwendungen, wegen ihrer klar definierten unteren kritischeren Lösungstemperatur (LCST) um 31-34°C in Wasser, was nahezu der Körpertemperatur entspricht. Folglich sind Hydrogele sehr interessant, zum Beispiel bei der Arzneimitteverabreichung, der Zellenverkapselung und beim „Tissue Engineering―. Das Ziel dieser Arbeit ist es verfahrenstechnischer Eigenschaften selbst synthetisierter Hydrogele unter transienten Bedingungen experimentell und theoretisch zu erforschen. Mithilfe der konfokalen Raman Spektroskopie wurde der Effekt von Temperatur und pH-Wert auf das Verhalten von selbst synthetisierten Poly(NIPAAm) Hydrogelen experimentell untersucht. Basierend auf Raman-Spektren wurde die Abhängigkeit des thermischen Quellens/Schrumpfens bei verschiedenen Temperaturen und Lösungen gemessen (wie z.B. Phenol, Ethanol, Propanol und Natriumchlorid). Mit den Lösungsmittelkonzentrationsprofilen wird das Ad- und Desorptionsverhalten eines Lösungsmittels in einem thermosensitiven Hydrogel charakterisiert. Die Abhängigkeit zwischen der Lösungsmittelkonzentration und der Raman intensität für Poly(NIPAAm) wurde verwendet, um den binären Diffusionskoeffizienten zu berechnen. Außerdem, wurde ein Versuchsaufbau entwickelt um die Diffusions- und die mechanischen Eigenschaften unter realitätsnahen Bedingungen näher zu untersuchen. Für die wärmeempfindlichen Poly(NIPAAm) Hydrogele wurde der gemeinsame Diffusionskoeffizient basierend auf den viskoelastischen Parametern des Hydrogels bestimmt. Die erhaltenen Daten wurden mit einem zweidimensionalen Diffusionsmodell mit variablen Randbedingungen, das auf dem Fick‗schen Gesetz basiert, verglichen. Die erhaltenen Diffusionskoeffizienten erlauben eine gute Beschreibung der Diffusionskinetik.

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Metadaten
Author:Aisha Ahmad Naddaf
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-34892
Advisor:Hans-Jörg Bart
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2013/04/18
Year of Publication:2013
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2012/04/30
Date of the Publication (Server):2013/04/22
Number of page:XVI, 156
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 660 Technische Chemie
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 10.09.2012