Rheology and dynamics of tunable soft materials : from synthetic microgels to biological hydrogels
Ρεολογία και δυναμική μαλακών συστημάτων από συνθετικά μικροπηκτώματα έως βιολογικές υδρογέλες
Ρεμεντζή, Αικατερίνη
Fischer, Peter
Πετεκίδης, Γεώργιος
Βλασσόπουλος, Δημήτριος
Οι υδρογέλες είναι μια κατηγορία υπερμοριακών δικτύων οι οποίες είναι πανταχού παρούσες στην καθημερινή ζωή, με εφαρμογές στην τεχνολογία τροφίμων και στην βιολογία. Σε αυτή τη δουλειά, διερευνούμε την ρυθμιζόμενη ρεολογία δύο τέτοιων υδρογελών. Αρχικά, εξετάζουμε την μη-εργοδική μετάβαση (kinetic arrest) των συνθετικών κολλοειδών μικροπηκτωμάτων με ρυθμιζόμενο κλάσμα όγκου αλλάζοντας την θερμοκρασία και/ή την συγκέτρωση. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε υπολογίζοντας το ίδιο κλάσμα όγκου αυξάνοντας την συγκέντρωση ή κρατώντας την συγκέντρωση σταθερή και μειώνοντας την θερμοκρασία, συγκρίνουμε την ρεολογία και διακρίνουμε διαφορές ανάμεσα σε μια παγιδευμένη κατάσταση υάλου (glass) και σε μια ακόμα πιο πυκνή περιοχή συνοστισμού (jammed regime).
Το κίνητρο της επόμενης μελέτης ξεκίνησε από τον μηχανισμό άμυνας του πετρόχελου (hagfish) ενάντια σε αρπακτικά ψάρια και παρατηρήσαμε το κύριο συστατικό του που είναι το mucus, μια φλεγματώδης πρωτεϊνη (κυστίδια απο βλεννώδεις γλυκοπρωτεϊνες) και διερευνήσαμε τις ιδιότητες του σχηματιζόμενου βιοπολυμερικού δικτύου σε διαφορετικά περιβάλλοντα pH τα οποία προάγουν την δημιουργία του. Επικεντρωθήκαμε στην εκτατική του συμπεριφορά και δυναμική σε καθαρό νερό, καθαρό νερό με προσθήκη άλατος και σε τεχνητό θαλασσινό νερό σε σχέση με την συγκέντρωση των πρωτεινών. Αναγνωρίσαμε την κατάλληλη διαχείριση των πρωτοκόλλων και προσπαθήσαμε να συνθέσουμε την δυναμική με την μακροδομή. Τα αποτελέσματά μας συνεισφέρουν στο να καταλάβουμε τον σύνθετο μηχανισμό ο οποίος συνδέεται με τις ρεολογικές λειτουργίες και τροποιοιώντας των ιδιοήτων ροής τέτοιων συστημάτων τον μοριακό σχεδιασμό των υδρογελών με την επιθυμητές αποκρίσεις.
(EL)
Hydrogels represent a class of supramolecular networks which are ubiquitous in daily life, with applications ranging from food technology to biology. In this work, we investigated the tunable rheology of two such interacting hydrogels, which constitute the main paradigms of soft matter, colloids and polymers. First, we examined the kinetic arrest of synthetic PNIPAM microgel particles with tunable effective volume fraction by means of altering temperature and/or mass concentration. Reaching the same effective volume fraction reached by increasing concentration or by reducing temperature at lower concentration, we compared the rheology and identified differences between thermal and jammed glass regimes. Second, motivated by the defense mechanism of hagfish against predators, we obtained the main constituent protein, mucin vesicles and explored the properties of the resulting biopolymer network in different pH environments which promote its formation. We focused on the extensional response and dynamic structure in pure water, by adding salts and in artificial seawater, as functions of concentrations. We identified appropriate handling protocols and attempted at linking stiffness with macromolecular structure. Our results provide ingredients for understanding complex mechanisms associated with rheological functions and tailoring the flow properties of such systems toward the eventual molecular design of hydrogels with desired response.
(EN)
