Vliv rozpouštědla na deformační chování hydrogelů

Abstract

Práce se zabývá molekulárně dynamickou simulací vlivu vody na deformaci hydrogelů. Hydrogely jsou modelové materiály vytvořené z makromolekulárních sítí solvatovaných vodou. Bylo zjištěno, že voda může tvořit můstky mezi makromolekulami, které mají formu dočasných iontových uzlů. Tyto můstky ovlivňují chování sítě během deformace. Vodní můstky jsou molekuly vody, které mají omezený rádius pohybu v prostoru mezi dvěma makromolekulami. Koncentrace vodních můstků byla regulována pomocí parciálního náboje na makromolekulárním řetězci v organické síti. Vodní můstky jsou určitým typem interakce, která je poměrně silná, ale výrazně delokalizovaná. Vodní můstek není možné trvale disociovat, po disociaci se v krátkém čase znovu vytvoří na jiném místě. Vliv vodních můstků byl srovnán s jinými typy síťových uzlů, zejména kovalentními a fyzikálními vazbami. Kovalentní uzly jsou modelovány jako prostá vazebná interakce mezi dvěma makromolekulami. Jsou nedisociovatelné a jsou lokální po celou dobu simulace. Fyzikální vazby jsou modelovány jako micely, kde hydrofobní skupiny tvoří jádro a hydrofilní skupiny obal micely. Fyzikální vazby mají povahu disociovatelných vazeb, které jsou lokální. Různé typy uzlů mají odlišný vliv na deformační vlastnosti. Byla simulována deformace sítí obsahujících kombinaci dvou typů uzlů: (i) fyzikálně-kovalentních, (ii) iontově-kovalentních, (iii) fyzikálně-iontových sítí a (iv) ternárních fyzikálně-kovalentní-iontových sítí. U jednotlivých a kombinovaných sítí bylo ověřeno chování v závislosti na jednoduchých sítí. Počet vodních můstků zásadně ovlivňovala primární struktura řetězců. Pokud byl řetězec PEG nahrazen hydrofobním polyoxymethylenem (POM) nebo polyoxytrimethylenem (POTM), jejich solvatace i mechanické chování se zhoršily.

The thesis deals with molecular dynamic simulation of the influence of water on the deformation of hydrogels. Hydrogels are model materials formed from macromolecular networks solvated with water. It was found that water can form bridges between macromolecules that take the form of temporary ionic crosslinks. These bridges affect the behavior of the network during deformation. Water bridges are water molecules that have a limited radius of motion in the space between two macromolecules. The concentration of the water bridges was regulated by a partial charge on the macromolecular chain in the organic network. Bridges are a type of interaction that is relatively strong but significantly delocalized. It is not possible to dissociate the water bridge, after dissociation it will be re-created in another place in a short time. The influence of water bridges was compared with other types of network crosslinks, especially covalent and physical bonds. Covalent crosslinks are modeled as a simple binding interaction between two macromolecules. They are undissociable and are local throughout the simulation. Physical bonds are modeled as micelles, where hydrophobic groups form the core and hydrophilic groups form the micelle shell. Physical bonds have the nature of dissociable bonds that are local. Different types of crosslinks have different effects on deformation properties. The deformation of a network containing a combination of two types of crosslinks was simulated: (i) physically-covalent, (ii) ionically-covalent, and (iii) physically-ionic networks and (iv) ternary physically-covalent-ion networks. For individual and combined networks, the behavior depending on simple networks was verified. The number of water bridges was fundamentally affected by the primary structure of the chains. When the PEG chain was replaced with hydrophobic polyoxymethylene (POM) or polyoxytrimethylene (POTM), their solvation and mechanical behavior deteriorated.