HIDROGELURI SUPERABSORBANTE OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU RADIAȚII IONIZANTE [307345]

UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE CHIMIE

ȘCOALA DOCTORALĂ ÎN CHIMIE

TEZĂ DE DOCTORAT

HIDROGELURI SUPERABSORBANTE OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU RADIAȚII IONIZANTE

Doctorand: [anonimizat]. Dumitrașcu (Demeter) Maria

Conducător doctorat:

Prof. Dr. Viorica Meltzer

(2019)

INTRODUCERE 1

PARTEA I – DATE DE LITERATURĂ 5

CAPITOLUL 1. HIDROGELURI 5

1.1. Istoric 5

1.2. Structura hidrogelurilor 7

1.3. Clasificarea hidrogelurilor 8

1.4. Sinteza hidrogelurilor 10

1.5. Stadiul actual al iradierii polimerilor cu radiații ionizante 14

CAPITOLUL 2. RADIAȚII IONIZANTE 21

2.1. Generalități 21

2.2. Mărimi caracteristice și surse de radiații ionizante 22

2.3. Interacția radiațiilor ionizante cu materia 23

2.4. [anonimizat] 25

2.5. Dozimetria radiațiilor ionizante 27

CAPITOLUL 3. [anonimizat] A HIDROGELURILOR 32

3.1. Teoria gradului de gonflare la echilibru 33

3.2. Solubilitatea 35

3.3. Determinarea gradului de gonflare 35

3.4. [anonimizat] 36

3.5. Teoria elasticității cauciucului 42

3.6. Metode experimentale de analiză și instalații de iradiere 42

[anonimizat] 51

CAPITOLUL 4. [anonimizat] 51

4.1. Fracția de gel 51

4.2. Gradul de gonflare 51

4.3. [anonimizat] 51

4.4. [anonimizat] 52

4.5. [anonimizat] 52

4.6. Analiza reologică 52

4.7. Determinarea densității de reticulare ( 53

4.8. Microscopie electronică de baleiaj 55

4.9. Analiza termică 55

4.10. Difuzia apei 55

4.11. Instalații de iradiere 56

CAPITOLUL 5. HIDROGELURI SUPERABSORBANTE DE COLAGEN ȘI POLIVINILPIROLIDONA (PVP) OBȚINUTE CU RADIAȚII GAMMA 58

5.1. Obținerea și caracterizarea structurii supramoleculare a hidrogelurilor 58

5.2. Mecanismul de reticulare cu radiații γ a hidrogelurilor pe bază de colagen și PVP 58

5.3. [anonimizat] 61

5.4. Gradul de gonflare 62

5.5. Difuzia apei și mecanismul procesului de gonflare 63

5.6. Analiza reologică 65

5.7. [anonimizat] 66

5.8. Caracterizarea rețelei hidrogelului 70

5.9. Concluzii 71

CAPITOLUL 6. HIDROGELURI SUPERABSORBANTE DE COLAGEN ȘI PVP (C-PVP) OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU FASCICULE DE ELECTRONI ACCELERAȚI ÎN ABSENȚA AERULUI 73

6.1. Prepararea hidrogelurilor 73

6.2. Hidrogeluri de colagen/PVP preparate fără adiție de agenți chimici de reticulare 74

6.3. Hidrogeluri de colagen/PVP preparate cu agenți chimici de reticulare 87

6.4. Concluzii 103

CAPITOLUL 7. HIDROGELURI TRICOMPONENTE OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU FASCICULE DE ELECTRONI ACCELERAȚI ÎN ATMOSFERĂ INERTĂ DE Ar 104

7.1. Prepararea hidrogelurilor 104

7.2. Caracterizarea hidrogelurilor obținute în atmosferă inertă 106

7.3. Concluzii 126

CAPITOLUL 8. EFECTUL CONCENTRAȚIEI DE PEO ASUPRA HIDROGELURILOR SUPERABSORBANTE OBȚINUTE DIN COLAGEN ȘI PVP PRIN RETICULARE CU EA 127

8.1. Prepararea hidrogelurilor 127

8.2. Caracterizarea hidrogelurilor colagen/PVP/PEO 128

8.3. Concluzii 142

CAPITOLUL 9. EFECTUL RADIAȚIILOR IONIZANTE ASUPRA STABILITĂȚII TERMICE A [anonimizat] 144

9.1. Prepararea hidrogelurilor 144

9.2. Stabilitatea termică a colagenului iradiat 144

9.3. Stabilitatea termică a PVP-ului iradiat 151

9.4. Stabilitatea termică a amestecurilor de colagen și PVP la iradiere 153

9.5. Concluzii 155

CONCLUZII GENERALE 156

Bibliografie 159

[anonimizat]tăți fizico-chimice atractive pentru o serie de aplicații în diverse domenii.

În prezent literatura științifică cu privire la cercetarea hidrogelurilor polimerice a cunoscut o extindere seminificativă mai ales în ceea ce privește cercetarea științifică, arătând în continuare că această tematică reprezintă un interes științific de actualitate abordat de numeroase grupuri de cercetare.

Cererea tot mai mare pentru dezvoltarea de noi hidrogeluri se datorează, în principal, gamei lor largi de aplicații, și anume: ca produse de igienă și de îngrijire personală, produse farmaceutice și cosmetice, în alimentație și agricultură și, mai recent, în ingineria tisulară sau medicina regenerativă.

Datorită beneficiilor excelente ale hidrogelurilor, în ultimii ani s-a observat o creștere semnificativă a comercializării la nivel global a acestor produse. Dintre acestea, efectul de răcire și calmare asupra pielii, fac hidrogelurile ideale pentru tratamentul arsurilor sau a rănilor dureroase. De asemenea, s-a demonstrat că aceste materiale sunt excelente pentru rehidratarea rănilor uscate, granularea și epitelializarea țesutului afectat.

Cu toate acestea, este puțin cunoscut faptul că cele mai multe hidrogeluri comerciale utilizate ca pansamente pentru răni sunt produse prin tehnologii de iradiere, fie folosind surse de radiație cu 60Co sau acceleratoare de electroni.

Metoda de reticulare cu radiații ionizante a diferitelor amestecuri polimerice apoase (naturale sau sintetice) în vederea producerii de hidrogeluri este considerată cea mai bună alegere deoarece oferă un număr de avantaje atât producătorului, cât și produsului final, după cum urmează:

Tehnologia este ecologică fără costuri suplimentare în ceea ce privește problematica gestionării deșeurilor;

Reacția de reticulare poate fi realizată și fără adăugare de catalizatori sau inițiatori chimici;

Produsul final este obținut doar într-o singură etapă tehnologică, fiind posibilă, atât obținerea hidrogelului, cât și a sterilizării sale finale.

Sinteza hidrogelurilor polimerice prin reticulare cu fascicule de electroni accelerați mai oferă și avantajul uitilizării unor debite de doză crescute prin comparație cu iradierea cu 60Co, astfel produsul final este obținut într-un timp scurt (ex. pentru aplicarea unei doze 25 kGy, doza legal acceptată pentru sterilizare, timpul de iradiere este de 5 minute dacă debitul de doză selectat este de 5 kGy/min).

Procesele de oxidare radio-induse care se produc de obicei atunci când un amestec polimeric este expus la radiații ionizante pentru o perioadă lungă de timp, sunt încetinite semnificativ.

Având în vedere beneficiile materialelor de tip hidrogel și interesul tot mai crescut de utilizare a acestor materiale în ingineria tisulară și medicină regenerativă lucrarea de față își propune dezvoltarea de hidrogeluri superabsorbante realizate din polimeri naturali și sintetici preparate exclusiv prin tratare cu radiații ionizante (gamma și fascicule de electroni accelerați). Materialele principale selectate pentru producerea acestor hidrogeluri au fost colagenul obținut din piele de vițel și poli(vinilpirolidona) (PVP).

Din documentarea de literatură efectuată, nu s-a raportat obținerea de hidrogeluri pe bază de colagen-PVP prin procesare cu radiații sau cu fascicule de electroni accelerați în absența oxigenului, în atmosferă inertă sau în prezența aerului.

În vederea optimizării unui hidrogel pentru un produs final, cum ar fi integrarea biomacromoleculelor sau a medicamentelor în acesta, este necesară o bună înțelegere a relației dintre doza absorbită și proprietățile finale ale gelului.

Astfel pentru o aplicație țintă, hidrogelurile obținute a fost caracterizate din punct de vedere structural și compozițional, iar parametrii de structură au fost corelați cu doza de radiație absorbită. De asemenea, randamentele de reticulare și de degradare, gradul de gonflare, stabilitatea hidrogelurilor în medii cu pH diferit, comportamentul reologic, mecanismele de difuzie a apei și structura chimică au fost investigate în funcție de doza absorbită.

Teza este structurată în două părți:

Partea I cuprinde studiul de literartură și este structurată în 3 capitole;

Partea a II-a cuprinde rezultatele originale, concluziile generale și referințele bibilografice și este structurată în 6 capitole;

CAPITOLUL 1 cuprinde noțiuni generale despre hidrogeluri, istoric, noțiuni privind structura, clasificarea, sinteza, aplicațiile și avantajele utilizării hidrogelurilor obținute prin tehnologii de iradiere. Acest capitol se încheie cu prezentarea preocupărilor semnalate în literatura științifică în ultimii ani, cu privire la cei mai utilizați polimeri pentru obținerea hidrogelurilor prin reticulare cu radiații ionizante.

CAPITOLUL 2 prezintă considerații generale privind mărimile caracteristice și sursele de radiații ionizante utilizate în practica curentă de obținere a hidrogelurilor, interacția radiației ionizante cu materia, reticularea radio-indusă și noțiuni privind dozimetria radiaților ionizante.

CAPITOLUL 3 prezintă aspecte teoretice referitoare la:

principalele proprietăți fizico-chimice ale hidrogelurilor: gonflare și parametrii care caracterizeză procesul de gonflare (dimensiunea lanțurilor macromoleculare și densitatea de reticulare, dimensiunea ochiului de rețea), analiza sol-gel, randamentele radiochimice de reticulare și degradare și proprietățile reologice.

cele mai importante instalații de iradiere utilizate pentru obținerea de hidrogeluri, avantajele și dezavantajele utilizării unei surse de 60Co sau a unui accelerator de electroni;

metodele instrumentale de analiză utilizate pentru caracterizarea hidrogelurilor și informațiile care pot fi obținute privind structura complexă a acestor materiale;

CAPITOLUL 4 este destinat aspectelor legate de realizarea părții experimentale a tezei în care se prezintă metodele fizico-chimice de caracterizare, modul de lucru, echipamentele de analiză corespunzătoare și instalațiile de iradiere utilizate, calcularea, interpretarea și corelarea rezultatelor.

CAPITOLUL 5 prezintă rezultatele experimentale originale privind obținerea de hidrogeluri superabsorbante obținute din colagen și polivinilpirolidonă prin reticulare cu radiații gamma în absența oxigenului și fără adăugare de agenți chimici de reticulare. S-au determinat: randamentul de reticulare și de degradare, gradul de gonflare, comportamentul reologic, difuzia apei și structura chimică și s-au corelat cu doza de iradiere. Cu datele obținute s-a propus un mecanism de reacție privind obținerea hidrogelului de colagen-PVP prin reticulare cu radiații γ.

CAPITOLUL 6 prezintă rezultatele experimentale originale privind obținerea de hidrogeluri superabsorbante pe bază de colagen și polivinilpirolidonă prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați (EA) în absența aerului, cu și fără adiție de agenți chimici de reticulare. S-a realizat un studiu comparativ între hidrogelurile obținute fără adăugare de agent de reticulare și cele cu agent de reticulare în scopul optimizării modalității de obținere atât din punct de vedere compozițional, dar și al condițiilor de iradiere.

CAPITOLUL 7 prezintă rezultatele experimentale privind obținerea de hidrogeluri superabsorbante tricomponente pe bază de colagen, polivinilpirolidonă și polietilenoxid prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați în atmosferă inertă de argon. Scopul principal al studiului a fost obținerea unui hidrogel cu proprietăți elastice crescute și stabilitate prelungită în medii similare celor fiziologice.

CAPITOLUL 8 prezintă rezultatele experimentale privind influența concentrației de PEO asupra proprităților de gonflare și elasticitate și asupra mecanismelor de difuzie în medii cu pH diferit.

CAPITOLUL 9 este destinat studiului prin analiză termică (DSC, TG/DTG) a hidrogelurilor colagen-PVP în vederea corelării stabilității termice cu doza de iradiere. S-a stabilit că în intervalul de doze (5 – 30) kGy nu s-au obținut modifcări al comportamentului termic pentru niciunul dintre materialele supuse studiului.

Lucrarea se încheie cu un paragraf destinat concluziilor generale și trimiterile bibliografice.

Tematica tezei se încadrează într-un domeniu actual de cercetare teoretică și aplicată. Domeniul este actual prin metodele folosite în obținerea hidrogelurilor și prin alegerea adecvată a componeților necesari.

Lucrarea conține peste 170 de pagini, 25 de tabele, 69 de figuri și peste 190 de referințe bibliografice. Rezultatele cercetăriilor au fost publicate în 5 articole ISI (4 în străinătate și 1 în țară) și în alte reviste indexate în Web of Science, precum și prin participări la conferințe internaționale (peste 10 lucrări).

PARTEA I – DATE DE LITERATURĂ

HIDROGELURI

Hidrogelurile sunt materiale cu rețele polimerice hidrofile reticulate cu structură tri-dimensională, obținute din diverse clase de polimeri sintetici și/sau naturali. Aceste materiale deși absorb cantități semnificative de apă sunt insolubile datorită legăturilor covalente intermoleculare existente în rețeaua polimerică.

Când sunt în contact cu soluții apoase, hidrogelurile se gonflează până ating un anumit prag, care depinde de interacțiile apă-polimer și densitatea de reticulare. Cantitatea de soluții apoase saline și fiziologice absorbită de geluri poate fi (10 – 1000) ori mai mare decât cantitatea de substanță uscată [1].

Istoric

În literatura științifică de specialitate, termenul ”hidrogel” a fost folosit pentru prima oară în anul 1900 pentru descrierea unor geluri coloidale obținute din săruri anorganice. În 1936 Du Pont a sintetizat primul hidrogel sintetic din poli (2-hidroxietil metacrilat) (pHEMA).

Cercetări considerabile privind dezvoltarea polimerilor în general și a gelurilor în special, au fost întreprinse de Flory (1941), Huggins (1942, 1943) și Treloar (1951, 1952) [2].

Treloar este cunoscut pentru studiul elasticității rețelelor polimerice, iar Flory pentru studii experimentale și teoretice asupra macromoleculelor.Flory a luat premiul Nobel în 1974 pentru fundamentarea principiilor de bază cu privire la polimerizarea în soluție.

Wichterle și Lim (1960) sunt primii cercetători care au descris hidrogelurile ca rețele macromoleculare reticulate și gonflate în apă. Aceștia au utilizat hidrogelul pe bază de pHEMA pentru fabricarea lentilelor de contact. Tot în această perioadă apar și primele studii referitoare la reticularea poli(vinilalcoolului) (PVA) și poli(N-vinil pirolidonei) (PVP) prin iradierea soluțiilor apoase cu radiații gamma [3, 4], iar Charlesby și Alexander au fost primii cercetători care au raportat reticularea PVP cu radiații.

De-a lungul anilor, diverși alți polimeri solubili în apă au fost tratați sau reticulați cu radiații ionizante, acest tratament fiind adesea și o etapă în prepararea biomaterialelor polimerice noi. Astfel, tehnica de reticulare cu radiații a devenit una dintre metodele standard pentru obținerea de hidrogeluri [5].

În următoarele decenii, studiul hidrogelurilor a rămas concentrat asupra rețelelor cu structură relativ simplă obținute prin reticulare chimică din polimeri sintetici, cu aplicații în medicină (oftalmologie și cedarea controlată a medicamentelor).

Hidrogelurile cu structură de rețea simplă au oferit posibilitatea caracterizării unor proprietăți fizico-chimice ale acestora, precum densitatea de reticulare și elucidarea proceselor de difuzie [6].

Sinteza hidrogelurilor pentru aplicații biomedicale prin iradiere cu radiații ionizante a cunoscut o dezvoltare constantă începând cu sfârșitul anilor 1960, așa cum se menționează în lucrările și brevetele de invenție publicate de Sakurada și Ikada [7], Kaetsu [8, 9] și Hoffman [10].

O contribuție substanțială în acest domeniu au avut-o profesorul Janusz M. Rosiak și colaboratorii săi de la Universitatea Tehnică din Lodz, Polonia, principalul inventator al tehnologiei de obținere a pansamentelor de tip hidrogel prin iradiere.

În anul 1989, Janusz M. Rosiak și colaboratorii săi au brevetat primul hidrogel comercial pentru aplicații biomedicale pe bază de PVP cunoscut sub denumirea comercială (Aqua-Gel®), comercializat în prezent în Polonia și în unele țări din Europa Centrală. Acest hidrogel are proprietatea de barieră bacteriană eliminând suprainfectarea rănii, inhibă pierderea fluidelor corporale, permite accesul oxigenului la nivelul plăgii și, în general, accelerează procesul de vindecare [11].

În prezent, astfel de hidrogeluri sunt produse și comercializate de compania KikGel, sub diverse denumiri: BurnTec®, HydroAid®, Neoheal® și au ca utilizare principală, tratamentul arsurilor și diverse proceduri în chirurgia plastică (http://kikgel.com.pl).

Preocupări privind obținerea de hidrogeluri atât prin iradiere cu radiații ionizante cât și prin tehnologii clasice sunt din ce în ce mai numeroase și folosesc o gamă largă de monomeri sau polimeri.

În acest context au apărut o serie de firme consacrate (Aliqua Biomedical Inc., Smith&Nephew, Jonson&Jonhson, ConvaTec, 3M Company) care produc și livrează hidrogeluri în special pentru aplicații medicale:

pansamente pentru răni;

sisteme de eliberare controlată a medicamentelor;

sisteme transdermice;

aplicații dentare;

polimeri injectabili;

implanturi;

aplicații oftalmice [1].

Un alt aspect legat de producerea hidrogelurilor utilizând iradierea ca tehnologie principală de obținere este acela că în ultima vreme la nivel mondial, sunt folosiți tot mai mult polimerii naturali și sintetici solubili în apă, biodegradabili și biocompatibili, în detrimentul celor sintetici derivați din petrol.

Un alt aspect este legat atât de promovarea tehnologiilor nepoluante, iar procesarea cu radiații ionizante și în special iradierea cu fascicule de electroni accelerați este o tehnologie nepoluantă.

Datorită aplicațiilor diverse și numeroase, numărul studiilor științifice cu privire la prepararea hidrogelurilor prin iradiere cu radiații ionizante a crescut rapid, în special după anul 2000.

Structura hidrogelurilor

Evaluarea structurii hidrogelurilor a arătat că rareori sunt observate rețele macromoleculare ideale caracterizate prin legături încrucișate tetra-funcționale (joncțiuni) produse prin legături covalente. În rețelele reale de cele mai multe ori se întâlnesc joncțiuni multifuncționale sau asocieri fizice între molecule (joncțiuni semi-permanente).

Termenii ”reticulare”, ”joncțiune” sau ”punct de legătură” indică punctele de legătură covalente sau de altă natură (legături de hidrogen, interacții ionice) ale lanțurilor polimerice.

În cazul legăturilor covalente, aceste joncțiuni pot fi legături C-C, dar și punți chimice de dimensiune mică și cu masă moleculară mai mică decât a lanțului polimeric reticulat. Acestea pot avea dimensiune finită și contribuie la proprietățile fizice ale hidrogelului.

Figura 1.1. Reprezentare schematică a structurii unui hidrogel ideal [12]

Clasificarea hidrogelurilor

Hidrogelurile se clasifică după mai multe criterii:

origine:

naturale – obținute din polimeri naturali (proteine sau polizaharide);

sintetice – preparate exclusiv din polimeri sintetici prin reticulare chimică;

hibride – preparate din amestecuri de polimeri naturali și sintetici;

compoziție polimerică:

homopolimerice care au o rețea polimerică obținută dintr-o singură specie de monomer/polimer;

copolimerice compuse din două sau mai multe specii de monomeri/polimeri diferiți cu cel puțin o componentă hidrofilă, aranjate într-o configurație aleatorie, bloc sau altă alternativă de-a lungul lanțului rețelei de polimeri;

multipolimerice numite și hidrogeluri semi-reticulate alcătuite dintr-un polimer reticulat și unul nereticulat.

legăturile chimice:

chimice sau „permanente” în care sunt prezente legături covalente;

nepermanente sau „reversibile” în care sunt prezente legături ne-covalente datorate unor interacții de natură fizică;

proprietăți:

convenționale obținute din polimeri hidrofili moderat reticulați și care se gonflează semnificativ în apă, dar nu se dizolvă și sunt stabile la schimbări de pH, temperatură, câmp electric, lumină sau alți stimuli;

sensibile la stimuli sunt similare cu cele convenționale, dar nu sunt stabile la variații de pH, temperatură, câmp electric, lumină sau alți stimuli [13];

dimensiunea porilor: non-poroase, microporoase, superporoase;

sarcina ionică:

neutre – în care nu sunt prezente sarcini electrice;

ionice – în care sunt prezente grupări încărcate pozitiv (cationice) și negativ (anionice);

amfolitice – în care sunt prezente atât grupări cationice și anionice pe același lanț polimeric;

structura fizică: matrice, film sau microsfere;

Un hidrogel ideal în general și în special pentru aplicații biomedicale trebuie să răspundă la următoarele proprietăți:

gonflare maximă în soluție salină, chiar și în condiții de presiune mecanică;

viteza de absorbție reglabilă pentru o anumită aplicație obținută prin modificarea dimensiunii particulelor sau a porozității rețelei polimerice;

conținut redus de monomer/polimer rezidual;

stabilitate chimică și fotochimică mare în timpul depozitării;

inodor, netoxic și biodegradabil fără formarea de specii toxice;

preț de fabricație redus [14].

Aceste caracteristici nu se întâlnesc simultan chiar dacă hidrogelul este ideal, motiv pentru care în practică, se alege varianta tehnologică optimă pentru a obține un produs cu proprietăți prestabilite.

De exemplu:

hidrogelurile utilizate în obținerea produselor de igienă trebuie să aibă viteză de absorbție mare, capacitate re-gonflare mică și conținut de monomer/polimer rezidual cât mai mic;

hidrogelurile utilizate pentru eliberarea controlată a medicamentelor trebuie să fie poroase și sensibile la variații de pH și temperatură [14].

Sinteza hidrogelurilor

Principalele direcții de sinteză a hidrogelurilor sunt:

Polimerizarea monomerilor solubili în apă în prezența unui agent de reticulare multifuncțional [6]:

Reticularea în soluție a polimerilor hidrofili cu radiații ionizante [6]:

Reticularea polimerilor hidrofili prin reacții cu agent de reticulare multifuncțional [6]:

Hidrogelurile reticulate chimic prezintă interes deosebit pentru diverse aplicații, deoarece conțin joncțiuni covalente între lanțurile polimerice, care le conferă o rezistență foarte bună [6].

Hidrogelurile obținute prin iradierea soluțiilor apoase polimerice, prezintă avantajul parcurgerii unei singure etape, iar produsul finit este și sterilizat. Din acest motiv acest tip de hidrogeluri sunt folosite cu precădere în domeniul biomedical [15].

În literatura de specialitate pe lângă metodele clasice consacrate de obținere a hidrogelurilor tot mai des este semnalată o metodă modernă în care polimerizarea și reticularea monomerilor/polimerilor multifuncționali se realizează prin iradiere cu radiații ionizante.

În general această metodă este considerată tot o metodă chimică de reticulare [14, 16], dar care se realizează fără adăugare de inițiatori sau agenți de reticulare toxici.

Este remarcabil faptul că polimerii sintetici sunt mai rezistenți la iradiere cu radiații ionizante (viteză de degradare mică) în comparație cu polimerii naturali.

În figura 1.2 este redat schematic mecanismul de formare a hidrogelurilor în soluție apoasă prin iradiere cu radiații ionizante:

Figura 1.2. Sinteza hidrogelurilor în soluție (figura adaptată din referința [17])

Obținerea hidrogelurilor (reticularea) prin iradiere cu radiații ionizante poate avea loc, în stare lichidă (soluții apoase și concentrate – „paste-like condition”) și în stare solidă, atât în mediu inert cât și în aer. De regulă, iradierea polimerilor în aer este însoțită de degradare oxidativă care duce în final la ruperea lanțurilor moleculare și deci la reducerea masei moleculare a unor polimeri naturali (cazul chitosanului).

Sinteza hidrogelurilor în soluții apoase

În sinteza hidrogelurilor prin iradiere în soluții apoase cu radiații ionizante, este important să se cunoască mecanismul de interacție al apei cu radiațiile ionizante, adică mecanismul de radioliză al apei:

Pentru procesul de reticulare importante sunt randamentele radio-chimice pentru produșii de radioliză ai apei (HO∙,, , , și ). Acestea sunt stabilite ca fiind (2,8; 0,6; 2,7; 0,7; 0,5; și 2,710−7 ) mol J−1[18].

Radicalii HO• și H·, formați în procesul de radioliză a apei, sunt principalele specii responsabile de formarea macroradicalilor. Radicalul HO• extrage un atom de hidrogen, și formează o moleculă de apă, iar radicalul de hidrogen extrage din molecula de polimer un atom de hidrogen, rezultând o moleculă de , care se acumulează sub forma bulelor de gaz în timpul procesului de gelifiere.

Atunci când un sistem polimer-apă este expus la radiații, se formează o serie de macroradicali, care participă la reacții de recombinare [19].

Sinteza hidrogelurilor în soluții concentrate „paste-like”

Sinteza hidrogelurilor în soluții concentrate, cunoscută în literatura de specialitate și ca „paste-like condition”, este o abordare recentă și se aplică în special polimerilor naturali.

Principiul de bază al acestei metode constă în utilizarea unei concentrații ridicate de polimer (20-30%) și formarea unor ”paste polimerice” în care există suficientă apă, încât sub acțiunea directă a radiației să se formeze radicalii liberi. Prezența apei generează difuzia macroradicalilor care prin reacții de recombinare formează o rețea de hidrogel reticulată.

Concentrația la care se produce reticularea în condiții „paste-like”, variază în funcție de structura, gradul de substituție, distribuția grupărilor de substituție și masa moleculară a monomerului/polimerului inițial.

Prin această metodă au fost obținute hidrogeluri cu randament de până la 70% din: carboximetilceluloză (CMC) , amidon, chitosan, gumă arabică [20].

Sinteza hidrogelurilor în stare solidă

Acțiunea directă a radiațiilor ionizante asupra polimerilor naturali și/sau sintetici în stare solidă conduce de asemenea la obținerea de macroradicali, dar există unele dezavantaje:

pregătire specială pentru probe;

necesitatea unor doze de iradiere mari (spre exemplu, pentru PVP, în soluție apoasă, doza este de 3,5 kGy, iar în fază solidă, 130 kGy);

imposibilitatea îndepărtării complete a oxigenului;

mobilitatea macroradicalilor este redusă și implicit randamentul radio-chimic de formare a radicalilor este mic, ceea ce limitează eficacitatea reticulării [13, 21].

Sinteza hidrogelurilor în vid sau atmosferă inertă (Ar și N2)

Atunci când polimerii sunt iradiați în vid sau în prezența unui gaz inert, modificările moleculare depind numai de structura lor moleculară inițială și de morfologia lor.

Reticularea în vid se realizează într-o incintă din oțel inoxidabil, sigilată, prevăzută în partea superioară cu o fereastră din folie de titan, care permite pătrunderea fasciculului de electroni [22], iar în cazul reticulării în atmosferă de gaz inert, în instalație se barbotează gazul respectiv.

Stadiul actual al iradierii polimerilor cu radiații ionizante

Polimerii sintetici și naturali sunt o clasă importantă de materiale care pot fi tratate cu radiații ionizante în vederea modificării proprietăților lor fizice, chimice, biologice și mecanice.

Tratarea materialelor polimerice cu radiații ionizante duce la modificarea semnificativă a structurii moleculare, prin formarea de diferiți intermediari foarte reactivi (radicali liberi, ioni sau stări excitate a moleculelor polimerice), în funcție de structura polimerului și de condițiile de iradiere.

Din multitudinea de preocupări în acest domeniu semnalate în literatura științifică de specialitate se pot enumera câteva tematici cu realizările corespunzătoare:

Polimeri sintetici și naturali utilizați la obținerea hidrogelurilor

Cei mai utilizați polimeri sintetici folosiți în obținerea hidrogelurilor în general sunt: poli(vinilpirolidona) (PVP), poli(vinilalcoolul) (PVA), poli(etilenoxidul) (PEO), poli(etilenglicolul) (PEG), poli(izopropilacrilamida) (PNIPAM), acidul poli(acrilic) (PAA), poli(acrilamida) (PAAm), poli(hidroxietil metacrilat) (PHEM), poli(vinilmetileter) (PVME) singulari și în amestecuri binare sau chiar ternare.

În ceea ce privește polimerii naturali și derivații lor în domeniul acesta cei mai utilizați sunt: polizaharidele (dextranii, amidonul, alginații, pectina, caragenanul, chitosanul, guma xantan), acidul hialuronic, agarul, carboximetilceluloza (CMC) și proteinele (colagenul, gelatina) [1].

Structura celor mai des utilizați polimeri naturali și sintetici utilizați pentru obținerea unor geluri cu proprietăți prestabilite prin sinteză cu radiații ionizante și cele mai importante realizări în domeniu sunt prezentate în continuare:

Poli(N-vinil-2-pirolidona) PVP este unul dintre cei mai folosiți biopolimeri sintetici în vederea producerii de hidrogeluri prin iradiere cu radiații ionizante cu aplicații biomedicale (pansamente și matrici pentru sisteme de eliberare controlată a medicamentelor) [11, 21, 23].

Figura 1.3. Structura chimică Poli(N-vinil-2-pirolidona)

Hidrogelurile obținute numai din PVP prin iradiere sunt transparente și au biocompatibilitate crescută, dar proprietăți mecanice inferioare și capacitatea redusă de gonflare, impune copolimerizarea cu diverși monomeri/polimeri sintetici sau naturali.

Din 2003, la Institutul de Cercetări Energetice și Nucleare (IPEN), din Brazilia există o linie de producție complet automată pentru producerea de pansamente sub formă de hidrogeluri denumite comercial Biogel® [24].

Contribuții importante au avut:

Benamer, Darwis și colab., au raportat obținerea de hidrogeluri pure și stabile, de PVP prin iradiere cu radiații , la concentrații de (7-10)% PVP și doze de (2 – 3) kGy, în soluții saturate în mediu inert (Ar sau N2) [25, 26];

Can și colab. [27] au studiat efectul iradierii cu radiații (60Co) asupra soluțiilor apoase de PVP în prezența anionului persulfat;

Ozurek, Dafader și colab. [28, 29] au studiat hidrogeluri pe bază de PVP/acid tartric și agar;

Dergunov [30, 31], Sohail și Abd Alla [32, 33] au studiat hidrogeluri sensibile la variații de pH obținute din PVP/chitosan și PVP/AAc;

Gottlieb [34] a studiat hidrogeluri obținute din PVP și PVME poli(vinilmetileter) sensibile la variații de temperatură folosite pentru obținerea de sisteme de eliberare controlată a medicamentelor;

Awadallah [35] a studiat hidrogeluri obținute prin iradiere cu radiații din PVA/PVP/PAAc, utilizate în tratamentul de înlocuire a meniscului;

Cele mai importante hidrogeluri pe bază de PVP obținute prin reticulare cu radiații γ cu aplicații biomedicale (pansamente, sisteme de eliberare controlată a medicamentelor) sunt:

Razzak și colab. [36] prin adăugare de PVA a obținut un hidrogel cu rezistență mare la E. coli.;

Himly, Lugao și colab. [37, 38] prin adăugare de PEG au obținut hidrogeluri elastice, transparente, flexibile, impermeabile la bacterii, care absorb o cantitate mare de apă și sunt ușor de îndepărtat;

Lugao și colab. [38] prin iradierea unor soluții apoase de PVP (6%) și PEO (3%), a obținut hidrogeluri cu elasticitate crescută;

Wang și colab. [39] prin adăugare de CMC a obținut hidrogeluri cu rezistență mecanică mai bună decât cea a hidrogelului de CMC pur, cu flexibilitate și gonflare la echilibru mai bună decât cea a hidrogelului de PVP pur. Pentru aceste hidrogeluri se remarcă o capacitate similară de reținere a umezelii față de cea a unui pansament comercial pe bază de hidrogel;

Park și Nho [40] prin adăugare de Aloe Vera la hidrogelul obținut din PVP și PVA, s-au obținut pansamente cu calități superioare;

Nho și Park [41] prin adăugare de chitosan la hidrogelul obținut din PVP și PVA, s-au obținut pansamente cu calități superioare pentru vindecare rapidă și oprirea sângerării;

Singh și colab.[42] prin adăugare de alginat și nanoparticule de Ag, au obținut un hidrogel cu efect puternic antimicrobian;

El-Rehim și colab.[43] prin adăugare de PAAc a obținut un hidrogel utilizat ca matrice polimerică pentru eliberarea medicamentelor în mediu gastric unde solubilitatea PVP-ului este extrem de redusă;

Kadublowski și colab.[44] prin adăugarea de PAA a obținut un hidrogel foarte sensibil la variații de pH.

Carboximetilceluloza (CMC) este un derivat de celuloză, solubil în apă, biodegradabil, disponibil în comerț la un preț redus, de interes major pentru sinteza de hidrogeluri sensibile la variații de pH.

Figura 1.4. Structura chimică a carboximetilcelulozei

Hidrogelurile obținute din CMC, au capacitate mare de absorbție a apei și biodegradabilitate bună. Cu toate acestea, hidrogelurile de CMC în stare hidratată au o rezistență mecanică foarte slabă, ceea ce limitează foarte mult domeniul lor de aplicații [45]. Cele mai importante realizări sunt:

hidrogeluri pure de CMC fără adiție de agenți chimici de reticulare au fost obținute prin iradierea (cu radiații sau EA) soluțiilor apoase de CMC cu concentrații cuprinse între (5-20)% [46, 47];

prin sinteză cu radiații au fost preparați copolimeri de CMC cu alți monomeri cum ar fi acrilamidă [48, 49] sau acid acrilic [50, 51], obținându-se hidrogeluri cu proprietăți superioare [52, 53];

Yoshii și colab. [54] au sintetizat hidrogeluri de CMC cu capacitate ridicată de gonflare prin mărirea concentrației de polizaharid (peste 10%), tehnică cunoscută în literatură sub numele de „paste-like”;

El-Din și colab.[55] a preparat hidrogeluri pe bază de CMC și PEO cu o capacitatea de gonflare sensibilă în condiții de temperatură și pH diferite. A utilizat hidrogelul la obținerea unei matrici pentru eliberarea controlată a ketoprofenului, medicament antiinflamator;

Sung și colab.[56] au preparat prin iradiere hidrogeluri din CMC/oxid de grafenă (GO) sau oxid de grafenă redus (rGO) care prezintă proprietăți caracteristice hidrogelurilor net superioare celor obținute prin metode clasice;

Ali și colab.[57] s-a preocupat să obțină prin iradiere un hidrogel pe bază de CMC și AAc destinat eliberării medicamentelor la nivelul colonului. A realizat profilul de eliberare a teofilinei în funcție de timp la pH = 1 și pH = 7;

Fekete și colab.[58] au sintetizat hidrogeluri superabsorbante prin iradiere cu radiații din CMC și amidon, introducerea amidonului în sistemele de CMC a dus la îmbunătățirea absorbției crescute de apă în special în medii cu o concentrație ridicată de electroliți.

Dextranul (DEX) este un polizaharid natural, netoxic, hidrofil care este compus în principal din reziduuri liniare de D-glucopiranoză legată la α-1,6 [59]. Dextranul este sintetizat din soluții de zaharoză de către anumite bacterii lactice de ex. Leuconostoc mesenteroides [60].

Figura 1.5. Structura chimică a dextranului

Hidrogelurile obținute din dextran sunt utilizate pe scară largă pentru aplicații biomedicale datorită activității biologice, biocompatibilității cât și a biodegradabilității în mediu fiziologic.

Hidrogeluri pe bază de dextran au fost obținute prin reticulare cu radiații ionizante prin cuplarea glicidil-metacrilatului la structura acestei polizaharide. Geluri din dextran au fost obținute la doze de 0,5 kGy cu randamente de peste 70%. Datorită densității ridicate de reticulare, gradul de gonflare la echilibru al gelurilor a fost controlat în principal de concentrația inițială a soluției de dextran metacrilat supusă iradierii. Evaluarea citotoxicității in vitro a confirmat într-adevăr caracterul netoxic al hidrogelurilor sintetizate din dextran cu grad de substituție scăzut și moderat. Acest lucru, combinat cu activitatea biologică bine cunoscută și funcționalitatea dextranului, implică posibilitatea aplicării biomedicale a acestor hidrogeluri pe bază de dextran, în special în domeniul medicinii regenerative a țesutului moale [61].

O aplicație importantă a hidrogelurilor pe bază de dextran și N-izopropilacrilamidă este obținerea membranelor biologice încărcate cu diverse medicamente, de exemplu ondansetron, medicamenent antiemetic.

Rezultatele au sugerat că timpul de iradiere, temperatura și compoziția hidrogelului, pot fi controlate pentru a regla în mod optim cinetica de eliberare a medicamentelor [62].

Colagenul este proteina fibrilară cea mai abundentă din constituția organismelor nevertebrate și vertebrate la nivelul oaselor, pielii, tendoanelor, cartilajelor, vaselor sangvine, corneei, membranei bazale etc. Rolul său în organism este atât structural, cât și funcțional, fiind implicat în mecanisme complexe de reglare a creșterii și refacerii țesuturilor [63].

Figura 1.6. Structura chimică colagen

Datorită proprietăților sale, colagenul este considerat unul dintre cele mai utile biomateriale pentru aplicațiile medicale. Este hidrofil, prezintă antigenicitate scăzută, răspunsuri inflamatorii și citotoxice scăzute, proprietăți hemostatice bune și biodegradabilitate controlabilă. Poate fi procesat sub diverse forme, cum ar fi filme, discuri, bureți, hidrogeluri și pulberi.

Materialele pe bază de colagen pot fi utilizate ca pansamente pentru răni, înlocuitori de piele și matrici pentru ingineria tisulară. Materialele bazate pe colagen nu au proprietăți mecanice adecvate. Dezavantajele utilizării colagenului ca biomaterial pentru repararea țesuturilor sunt rigiditatea biomecanică scăzută și biodegradarea rapidă [64].

Iradierea colagenului, atât cu radiații , cât și cu EA este studiată de mult timp. În unele studii, s-a arătat ca iradierea cu doze de iradiere de la 5 kGy până la 500 kGy produce în general degradarea structurală, și anume: pierderea cristalinității și degradarea avansată a structurii moleculare prin ruperea moleculei de colagen în unități mai mici [65, 66].

Studii recente au pus în evidență reticularea colagenului cu radiații și EA. Metodele moderne de caracterizare (analiză termică, electroforeză, dicroism circular, microscopie electronică) a gelurilor de colagen obținute prin iradiere au arătat că molecula de colagen se reticulează la doze de iradiere moderate, iar structura sa triplu-helix este doar parțial afectată.

Eficiența reticularii colagenului prin iradiere depinde în mare măsură de condițiile de iradiere, pH-ul gelului de colagen și natura radiației ionizante [67, 68].

RADIAȚII IONIZANTE

Generalități

Epoca modificării materialelor cu radiații ionizante a început odată cu descoperirea radiațiilor X de către Röentgen și a radioactivității naturale de către Becquerel [69]. După descoperirea radioactivității naturale, F. Minsch, a sugerat pentru prima dată utilizarea radiațiilor X, pentru distrugerea microorganismelor din alimente, aceasta fiind una dintre primele aplicații practice ale radiațiilor ionizante [70].

Primele progrese considerabile în dezvoltarea surselor de radiații ionizante de tipul acceleratoarelor liniare de electroni au fost realizate în anii 1920, de fizicianul suedez Gustaf Ising prin cercetări puse în practică apoi de norvegianul Rolf Wideröe.

În anii 1930, John Cockcroft și Ernest Walton (Laureați ai Premiului Nobel în Fizică în anul 1951), au dezvoltat un circuit electric pentru tensiuni înalte în vederea accelerării unor curenți înalți de fascicul. Sistemul Cockcroft-Walton a devenit componentul de bază al unui accelerator industrial. În anul 1940, Willem Westendorp de la General Electric, a dezvoltat primul accelerator de electroni industrial [71].

Progresele tehnologice menționate mai sus, au condus la utilizarea pe scară largă a procesării cu radiații în scopuri comerciale, de exemplu Arthur Charlesby și Malcolm Dole au descoperit că polietielena se reticulează și capătă proprietăți îmbunătățite prin expunere la radiații ionizante [72].

Primele aplicații comerciale ale iradierii cu radiații ionizante au fost legate în principal de reticularea polimerilor și radiosterilizarea produselor medicale de unică folosință [73].

Iradierea cu radiații ionizante are ca efect modificarea proprietăților fizice, chimice sau biologice ale unor materiale. Procesul de iradiere poate fi utilizat și controlat astfel încât să permită obținerea de noi materiale sau produse cu proprietăți îmbunătățite.

Cunoașterea principiilor de bază ale fizicii și chimiei radiației, inclusiv a structurii materiei, a elementelor de fizică nucleară, natura radiației electromagnetice, cât și a interacției radiației ionizante cu materia este necesară pentru a înțelege procesul de iradiere și potențialul său în știința materialelor [74].

Mărimi caracteristice și surse de radiații ionizante

În domeniul radiațiilor ionizante cele mai importante mărimi fizice sunt:

Doza absorbită (D) reprezintă cantitatea de energie absorbită pe unitatea de masă a materialului iradiat și se definește conform relației ):

unde este energia medie cedată de radiația ionizantă cantității de masă din substanța cu care interacționează.

Doza de radiație absorbită se măsoară în Gray (1 Gy = 1 J/kg) sau rad (unitate de măsură mai veche pentru care 1 Gy = 100 rad). Doza absorbită se poate defini în orice fel de material și pentru orice fel de tip de radiație ionizantă (electroni accelerați, fotoni sau neutroni).

Debitul dozei absorbite, (D*) reprezintă variația dozei absorbite în unitatea de timp:

și se măsoară în Gy/s (1 Gy/s = 1 J/kg∙s) [75]. Cele mai multe aplicații industriale necesită doze de iradiere în intervalul (0,1 – 1000) kGy.

Randamentul radiochimic, (G) reprezintă numărul de unități (molecule, atomi, ioni) transformate de radiația ionizantă în urma preluării unei cantități de energie radiantă de 100 eV și se exprimă în mol·J-1 [76]. Ținând cont de faptul că unitatea de măsură a dozei absorbite este Gy, ceea ce corespunde la 1 Joule/kg de material iradiat.

Surse de radiații ionizante

În principiu radiația este formată din fotoni de energie înaltă, dar în practică, termenul de radiație ionizantă este utilizat atât pentru a descrie fotoni de energie înaltă, cât și particule subatomice (electroni, protoni, particule alfa sau produși de fisiune ionizanți).

Principalele radiații ionizante sunt:

radiațiile gamma () generate de izotopul artificial al cobaltului (Co60) cu energii de (1,17-1,33) MeV, (1 eV = 1,6 10-19 J);

electroni accelerați (EA) cu energii cuprinse între (0,2 – 10) MeV;

radiațiile X;

fasciculele de ioni.

Radiația este mult mai penetrantă în comparație cu fasciculele de electroni, fiind utilizată în iradierea unor straturi groase de materiale.

Fasciculele de electroni accelerați au debite mari de radiații ceea ce implică un timp scurt de iradiere și permit iradierea materialelor în straturi subțiri și de densitate redusă.

De remarcat este că energia electronilor poate fi adaptată în funcție de utilizare:

energii de (5 – 10) MeV pentru iradierea materialelor în straturi mai groase;

eneregii (0,15 – 0,35) MeV pentru iradierea materialelor sub formă de filme;

În reglementările în vigoare energia de 10 MeV este considerată cea mai mare energie care poate fi utilizată pentru evitarea pericolului de inducere a radioactivității în materialele iradiate [73].

Interacția radiațiilor ionizante cu materia

Procesele de interacție a radiațiilor ionizante cu materia sunt legate în principal de transferul de energie către ținta iradiată. Cunoașterea acestor procese este fundamentală pentru detecția, măsurarea și controlul radiațiilor, precum și pentru înțelegerea efectelor fizice, chimice și biologice ale radiației asupra materialului iradiat.

Modificările induse de radiații în materie depind atât de originea și tipul radiației, cât și de energia absorbită în material, care generează inițierea de reacții chimice și nucleare, excitarea electronilor și a moleculelor și ionizarea materiei [74].

Atunci când energia absorbită este mai mare decât a unui electron orbital, electronul este evacuat și atomul este ionizat. În cazul în care energia nu este suficientă, electronul se excită fiind transferat pe un nivel energetic superior:

Din practica curentă se știe că potențialul de ionizare al celor mai multe molecule este mai mic de 15 eV, iar energia celor mai multe iradiatoare industriale este (102 – 107) eV. Din aceste considerente rezultă că ionizarea este principalul proces în iradierea cu radiații ionizante.

Electronul generat prin ionizare, numit și electron secundar, ionizează și excită la rândul său alte molecule cu care vine în contact. Procesele de ionizare și excitare se repetă până când energia este consumată, și devine mai mică decât energia necesară pentru ionizarea unei molecule.

Interacția radiației cu materia

Radiațiile de energii înalte interacționează cu moleculele tot prin intermediul proceselor de ionizare-excitare. Radiația ionizează materia prin trei efecte principale:

fotoelectric;

Compton;

producerea de perechi de particule (electron-pozitron).

Pentru energii mai mici de 1 MeV, principalele procese de absorbție a radiației sunt împrăștierile Compton, în care un foton pierde suficientă energie astfel încât să expulzeze un electron, iar energia rămasă este emisă sub forma unui nou foton , dar de energie mai mică [77].

În iradierile cu radiații , doza absorbită într-un material scade exponențial cu creșterea adâncimii de pătrundere a radiației în material conform relației:

unde:

este intensitatea radiației după parcurgerea unui material de grosime, x;

este intensitatea inițială a radiației;

μ este coeficientul liniar de absorbție [78].

Interacția electronilor accelerați cu materia

Când EA străbat un material pierd energie continuu datorită numărului mare de interacții. Electronii transferă energia materialului pe care îl străbat prin două tipuri de interacții:

cu electronii atomilor producându-se ionizarea sau excitarea materialului;

cu nucleele atomilor rezultând emisie de fotoni;

Interacția EA de energii înalte cu materia, are loc prin următoarele procese:

Ionizarea, când energia transferată de EA este mai mare decât energia de legătură a electronului participant, molecula se ionizează și se disociază în radicali liberi și radicali-ioni:

Excitarea, când electronii trec într-o stare excitată, iar moleculele în stare excitată se disociază în radicali liberi:

Captarea de electroni (ionizare) constă în aceea că electronii cu energie mică pot fi captați de molecule, iar ionul rezultat disociază într-un radical liber sau radical-ion.

Pe lângă toate aceste reacții primare, pot avea loc și reacții secundare, astfel că fragmentările produse sunt primare și secundare și inițiază mai departe procese de polimerizare, reticulare, degradare și rearanjamente structurale ale lanțurilor principale sau secundare ale moleculelor [79].

Reticularea radio-indusă

Reticularea este procesul de obținere a unor compuși macromoleculari cu structură tridimensională (rețea spațială) prin unirea unor catene lungi (polimeri) prin legături chimice, rezultând un produs cu masă moleculară mult crescută.

Alături de metoda clasică chimică, o metodă destul de recentă de reticulare a polimerilor este iradierea cu radiații ionizante prin care polimerii sunt expuși la o doză de radiație exact stabilită, este deci un proces bine controlat.

În procesul de reticulare radio-indusă materialul absoarbe energia radiațiilor, se rup legături chimice, se formează radicali liberi și ulterior se generează noi legături chimice.

Reticularea radio-indusă se aplică în principiu tuturor tipurilor de materiale polimerice și prezintă avantajul că în comparație cu procesul chimic, are loc la temperaturi mult mai scăzute [80]. De remarcat este că pe lângă procesul de reticulare pot avea loc și degradări care micșorează randamentul procesului de reticulare [81].

Procesul de iradiere depinde semnificativ de mediul de iradiere, aer sau mediu inert (gaz inert). La iradierea polimerilor în aer, radicalii liberi rezultați reacționează și cu oxigenul, astfel că se produce degradare oxidativă [82].

Procesele induse de radiațiile ionizante au ca punct de plecare generarea de radicali liberi (specii chimice extrem de reactive), fie prin scindarea lanțului polimeric principal, fie prin scindarea lanțurilor polimerice secundare.

Cele mai importante procese care au loc la iradierea monomerilor/polimerilor cu radiații ionizante și mecanismele corespunzătoare sunt:

Polimerizarea monomerilor/oligomerilor:

Reticularea: prin care lanțurile de polimer sunt unite, rezultând o rețea tri-dimensională:

Degradarea/ruperea lanțurilor polimerice de obicei prin oxidare sau alte forme de degradare care au loc simultan;

Grefarea: reacția chimică de atașare a unor lanțuri polimerice pe lanțul polimerului principal.

Reticularea materialelor polimerice cu radiații ionizante prezintă o serie de avantaje față de metoda clasică chimică:

prelucrarea polimerilor fără adăugare de aditivi chimici (inițiatori sau catalizatori) și nu se produc reziduuri sau produși de degradare toxici în produsul final;

inițierea reacțiilor la orice temperatură;

polimerizarea monomerilor și reticularea polimerilor care nu pot fi realizate, prin reacții chimice clasice;

controlarea gradului de polimerizare, reticulare, grefare și degradare prin alegerea adecvată a energiei necesare;

realizarea simultană a reticulării și sterilizarii produselor;

procesarea polimerilor existenți sub diferite forme (lichid, solid, filme, etc);

tehnologia de iradiere cu radiații ionizante este o tehnologie economică și ecologică, deci prietenoasă mediului și omului;

timpi de reacție foarte scurți [53, 83, 84].

Dozimetria radiațiilor ionizante

În implementarea tehnologiei de iradiere cu radiații ionizante un rol foarte important îl are dozimetria radiațiilor care stabilește o serie de parametrii fundamentali:

doza și debitul dozei absorbite;

uniformitatea cu care doza de iradiere este aplicată;

eficiența cu care este utilizată energia radiației;

puterea de penetrare a radiației;

randamentul de iradiere.

Efectul produs într-un material iradiat este strict legat de doza de radiație absorbită. În acest sens, tehnologia de iradiere cu radiații ionizante necesită măsurarea cu precizie a dozei absorbite pentru a obține efectul dorit în material. Cunoașterea cu precizie a dozei de iradiere este foarte importantă pentru evitarea producerii unor procese nedorite datorate unor doze neadecvate.

Corectitudinea procesului de iradiere se bazează pe standarde de dozimetrie bine stabilite [85] care furnizează documentația necesară ca întreg procesul în toate stadiile sale de realizare să fie permanent controlat. Dozimetria joacă un rol cheie în controlul procesului de iradiere și este un factor important în transferul proceselor de la stadiul de laborator la stadiul industrial, cu respectarea unui program complet de control al procesului, prin parcurgerea etapelor:

stabilirea dozei minime sau maxime cu care produsul poate fi tratat;

stabilirea raportului de uniformitate a dozei absorbite (DUR) care determină eficiența și productivitatea procesului tehnologic, și are expresia DUR = / și valoarea acceptată este de 1,35 pentru majoritatea proceselor tehnologice [86];

stabilirea relației dintre doza absorbită și parametrii de operare ai instalației;

măsurarea distribuției dozei într-un material de referință;

geometria de iradiere de referință (stabilirea cu precizie a poziției materialului de iradiat);

determinarea variației dozei absorbite când parametrii de operare ai instalației fluctuează în condiții normale de operare;

Pentru acceleratoarele de electroni, controlul procesului de iradiere include și măsurarea energiei medii a fascicului de electroni, profilul fascicului și lățimea de scanare a acestuia.

Profilul fascicului și lățimea de scanare a acestuia arată dacă doza este uniform distribuită pe suprafața produsului.

Penetrarea electronilor într-un produs depinde de energia fascicului, care se măsoară prin determinarea distribuției dozei în adâncime de-a lungul axei fasciculului într-un material de referință, de regulă apă sau polistiren.

Puterea de penetrare a electronilor într-un material este proporțională cu energia (E în MeV) electronilor și invers proporțională cu densitatea produsului ( și depinde de geometria de iradiere. Pentru electronii cu energii mai mari de 1 MeV, se calculează parcursul electronilor ( cu relația 2.15) [87, 88]:

Deoarece parcursul electronilor nu este constant, există o poziție în materialul iradiat corespunzătoare unei doze minime () și o altă poziție corespunzătoare unei doze maxime ().

Doza maximă absorbită ( este întotdeauna la adâncimea cea mai mică, imediat sub stratul de suprafață al materialului iradiat. Prin urmare, doza absorbită scade rapid cu adâncimea după atingerea valorii maxime.

În concordanță cu doza absorbită, în iradierile industriale se definește adâncimea optimă de penetrare sau parcursul optim ( care reprezintă adâncimea la care doza de ieșire este egală cu doza la intrare și din corelația lui cu energia electronilor incidenți se poate stabili grosimea optimă a materialului de iradiat. De exemplu, pentru un material cu ρ = 1 străbătut de electroni cu energia de 10 MeV, . Pentru creșterea lui în practica industrială se utilizează frecvent iradierea dublu-față pentru care .

În cazul iradierii cu EA, cantitatea de material iradiat într-o oră se calculează cu relația 2.16):

unde:

este capacitatea de procesare (tone/oră);

P este puterea fasciculului (kW):

f este factorul de utilizare a EA (f = 0,5-0,75);

D este doza de iradiere (kGy);

Ținând seama de relația kGykW, ecuația 2.16) devine [77]:

Din care reiese că productivitatea iradierii cu EA este direct proporțională cu puterea fascicului și invers proporțională cu doza absorbită.

În figura 2.1 se prezintă o distribuție tipică a dozei în adâncime care este de obicei măsurată prin plasarea unor dozimetre sub formă de filme subțiri la diferite adâncimi în materialul de referință. Grosimea notată cu R50 se utilizează pentru estimarea energiei medii a electronilor cu relația 2.18):

Figura 2.1. Distribuția dozei în adâncime pentru electroni cu energia de 10 MeV

Doza la suprafața materialului are valoarea relativă de 100%, iar celelalte intervale pot fi definite astefel:

– este adâncimea la care se obține doza maximă;

– este adâncimea la care doza la ieșire este egală cu doza la intrare;

– este adâncimea la care doza absorbită este egală cu jumătate din doza maximă;

– este adâncimea la care doza absorbită este egală cu 1/3 din doza maximă.

În practică, conform cerințelor pentru determinarea dozimetriei sunt disponibile o serie de sisteme dozimetrice standardizate: primare, de referință, de transfer sau de rutină.

Selectarea sistemului dozimetric adecvat depinde de intervalul de doze de iradiere și de caracteristicile specifice fiecărui sistem dozimetric: limita de răspuns a dozimetrului (minimul sau maximul dozei, respectiv al debitului dozei absorbite), dependența de energie, efectul temperaturii înainte, în timpul și după iradiere, umiditate, lumină, stabilitate, reproductibilitate, dimensiune, rezoluție, simplitate de manipulare, procedură de citire, disponibilitate, cost, variabilitate lot, durată de valabilitate.

În cazul instalațiilor de iradiere gamma, cele mai utilizate sisteme dozimetrice pentru măsurarea dozei absorbite sunt: sistemul etanol-monoclorbenzen (ECB) [89], filmele radiocromice [90], dicromat de potasiu [91], sulfat ceric-ceros [92], alanina [93].

Pentru iradierile cu EA, cele mai utilizate sisteme dozimetrice sunt: calorimetrele de grafit [94], filmele radiocromice (FWT-60), filmele B3 [95], filmele de triacetat de celuloză, filmele de policlorură de vinil [96], alanină și sisteme dozimetrice chimice în soluție (dicromat, Fricke – sulfat de amoniu, ceric-ceros, sulfat de cupru-sulfat feros) [97].

Distribuția dozei într-un produs se poate determina cu programe automate de evaluare: sistemele RisøScan [98, 99], Aerial sau Bruker [100]. Practica recomandă utilizarea dozimetrelor cu film la instalațiile cu fascicule de electroni și dozimetre chimice pentru cele cu gamma.

În practica industrială a iradierii cu EA, utilizarea sistemelor dozimetrice chimice în soluție nu este răspândită, deoarece procedurile sunt laborioase și de cele mai multe ori, însoțite de erori de măsură datorită sensibilității mari la impurități. Tabelul 2.1 prezintă principalele caracteristici ale sistemelor dozimetrice utilizate curent în practica industrială [100].

Tabelul 2.1. Sisteme dozimetrice utilizate în procesarea materialelor cu radiații ionizante

CARACTERIZAREA FIZICO-CHIMICĂ A HIDROGELURILOR

În stare umedă, hidrogelurile obținute din polimeri hidrofili au proprietăți fizice, chimice și biologice deosebite, ceea ce le fac materiale adecvate pentru numeroase aplicații (igienă, agricultură, domeniul biomedical și farmaceutic).

Multitudinea de polimeri naturali și sintetici și diversitatea procedeelor de obținere a hidrogelurilor, fac posibilă obținerea unor materiale cu proprietăți prestabilite [101, 102].

Principalele caracteristici fizico-chimice ale hidrogelurilor sunt prezentate în paragrafele următoare în corelație cu posibilitatea de utilizare a lor în anumite domenii.

Structura reticulată a unui hidrogel este caracterizată într-o măsură apreciabilă de proprietățile de gonflare (capacitatea de absorbție).

Gonflarea unui hidrogel depinde de natura polimerului și a soluției, de structura hidrogelului și de gradul de reticulare (densitatea de reticulare și distribuția punctelor de reticulare în interiorul rețelei de hidrogel).

În funcție de caracteristicile hidrogelului, gonflarea se produce prin forțe de interacție polimer-apă, forțe electrostatice sau procese de osmoză [102].

Procesul de gonflare se caracterizează printr-o serie de parametrii:

fracția volumetrică de polimer în stare gonflată (2,s) care reprezintă măsura cantității de lichid adsorbit și reținut în rețeaua hidrogelului;

masa moleculară a lanțului polimeric dintre două puncte de reticulare succesive () reprezintă măsura gradului de reticulare ca urmare a legăturilor nou formate în rețeaua tridimensională care pot fi de natură chimică sau fizică;

dimensiunea corespunzătoare ochiurilor rețelei polimerice (ξ) reprezintă spațiul disponibil dintre lanțurile macromoleculare și care permite difuzia sau transportul de particule în rețeaua hidrogelului [101].

Toți acești parametrii pot fi calculați numai ca valori medii, atât prin metode teoretice cât și experimentale. Referitor la gradul de gonflare și implicit la gradul de reticulare există mai multe teorii dintre care cele mai importante sunt: teoria gradului de gonflare la echilibru și teoria elasticității cauciucului.

Teoria gradului de gonflare la echilibru

Prin determinarea gradului de gonflare la echilibru se poate determina masa moleculară medie dintre două reticulari succesive (, care din punct de vedere teoretic poate fi corelată de gradul de reticulare (X), utilizând modelul Flory-Rehner.

unde:

este masa moleculară a unei unități polimerice.

Când un hidrogel reticulat este imersat într-un fluid, asupra lui acționează două forțe opuse, și anume forța termodinamică de amestecare și forța elastică. La echilibru, aceste forțe sunt egale și pot fi exprimate cu ajutorul energiei libere Gibss:

unde:

este contribuția datorată forțelor elastice dezvoltate în masa gelului;

este rezultatul amestecării spontane a moleculelor de fluid cu moleculele polimerului și este o măsură a miscibilității dintre polimer și mediul fluid;

Din definiția potențialului chimic:

pentru sistemul binar polimer-mediul fluid, se obține:

unde:

este potențialul chimic al solventului în hidrogel (sistemul binar);

este potențialul chimic al solventului pur.

La echilibru, membrul stâng al ecuației (3.4) este zero astfel variația potențialului chimic de amestecare echilibrează variația potențialului chimic datorat forțelor elastice.

Cele două variații de potențial chimic pot fi calculate cu relațiile propuse de N.A. Peppas și colab. [103]:

Din relațiile ) – ), se obține masa moleculară între două puncte de reticulare:

unde:

este volumul molar al apei;

este volumul specific al polimerului;

este fracția volumetrică de polimer în stare gonflată;

este masa moleculară dintre două puncte de reticulare succesive;

este masa moleculară a polimerului liniar (ne-reticulat);

este factorul de interacție dintre solvent și polimer [104], care poate fi determinat experimental, dar este tabelat pentru diverse sisteme polimer-solvent în baze de date [105].

Fracția volumetrică de polimer () se exprimă prin raportul dintre volumul polimerului (Vp) și volumul gelului în stare gonflată la echilibru (Vg) și evident această relație poate fi prelucrată în raport cu masele de polimer și/sau hidrogel și densitățile corespunzătoare.

Dimensiunea corespunzătoare ochiurilor rețelei polimerice (ξ), se calculează cu următoarea relație [104, 106]:

unde:

este raportul de alungire al lanțurilor polimerice în orice direcție;

este rădăcina medie pătrată a distanței lanțului polimeric între două reticulari succesive.

Pentru hidrogeluri izotrope în stare gonflată, parametrul , poate fi exprimat în funcție de fracția volumică de polimer în stare gonflată (), cu ajutorul expresiei:

Rădăcina medie pătrată a distanței lanțului polimeric între două reticulari succesive, se calculează cu următoarea expresie:

unde:

este raportul caracteristic Flory;

este lungimea legăturilor din lanțul polimeric (pentru polimerii vinilici, );

N este numărul de legături/lanțuri care poate fi calculat cu ajutorul masei moleculare a unei unități monomerice din care este polimerul compus ():

Cu ajutorul relațiilor )- ), relația ), devine:

ceea ce reprezintă expresia completă de calcul a dimensiunii corespunzătoare ochiurilor rețelei polimerice (ξ).

Solubilitatea

Conținutul de hidrogel reticulat (fracția de gel), G, este calculat cu relația:

unde:

mi este masa inițială a probei în stare uscată;

md este masa probei de gel insolubil în stare uscată, după imersare în apă pentru o perioadă de timp standardizată: 16 h [107], respectiv 48 h [108].

Determinarea gradului de gonflare

Determinarea gradului de gonflare (GG) se realizează conform Standardelor Internaționale. Uzual se utilizează standardul Japonez (K8150), potrivit căruia gradul de gonflare se determină prin imersarea unei probe de hidrogel în apă deionizată la temperatura camerei timp de 48 h. După gonflare, hidrogelul este filtrat printr-o sită din inox standardizată cu dimensiunile ochiurilor de 681 µm și se calculează cu relația:

unde:

ms este masa de hidrogel în stare gonflată;

md este masa probei de gel insolubil în stare uscată.

Analiza sol-gel

Deoarece polimerii se comportă diferit la iradiere, este util să se cuantifice efectul radiației ionizante în aceste materiale, atât în ceea ce privește reticularea, cât și degradarea lanțurilor polimerice.

În acest scop se utilizează frecvent următorii parametrii: randament radiochimic, G (vezi subcapitolul 2.2), randament radiochimic de reticulare, G(X) și randamentul radiochimic de degradare G(S). Pentru determinarea G(X), respectiv G(S) este necesară cunoașterea dozei absorbite [109].

Una dintre metodele de bază pentru caracterizarea hidrogelurilor sintetizate prin iradiere, este analiza sol-gel bazată pe ecuațiile propuse de Charlesby și Pinner.

Această metodă constă în determinarea gravimetrică a fracțiilor: sol-fracție solubilă, respectiv gel-fracție insolubilă după iradiere. Astfel, se pot determina G(X) și G(S), dar și doza de gelifiere (Dg), adică doza minimă de radiație la care începe reticularea.

Hidrogelurile în general au comportare diferită în comparație cu polimerii din care provin, adică sunt flexibile, elastice și se pot gonfla în medii fluide.

Doza minimă de iradiere necesară pentru a atinge punctul de gel (– doza de gelifiere) și doza de iradiere (D) aplicată materialului se corelează prin intermediul coeficientului de reticulare ():

Cum coeficientul de reticulare este mai mare decât unitatea () după iradiere, fracția de polimer (g) rezultată în urma reticulării va crește, în timp ce fracția solubilă (s) va descrește. Relația care definește legătura dintre fracțiile de gel, respectiv sol ale unui hidrogel obținut prin iradiere se exprimă prin:

Relația dintre fracția solubilă și doza de iradiere depinde de masa moleculară medie inițială a polimerului și distribuția a polimerului din care este sintetizat hidrogelul respectiv. Conform teoriei interacției radiației ionizante cu materia, se consideră că reacțiile de reticulare au loc aleatoriu, dar proporțional cu doza de iradiere aplicată.

Atunci când polimerii sunt tratați cu radiații ionizante, au loc în general două fenomene: reticularea și degradarea lanțului polimeric. Dacă predomină procesul de reticulare în defavoarea celui de degradare se va obține un gel insolubil. Corelația dintre fracția de sol s și doza de radiație absorbită D se exprimă prin ecuația Charlesby-Pinner [20, 110]:

unde:

este fracția solubilă;

este gradul de degradare (reprezintă numărul lanțurilor de polimer degradate pe unitatea de monomer și unitatea de doză);

este densitatea de reticulare și reprezintă proporția unităților de monomer/polimer reticulate pe unitatea de doză;

este gradul mediu de polimerizare/reticulare;

D este doza de iradiere [Gy].

Pentru a se evita erorile rezultate în cazul utilizării polimerilor cu distribuție moleculară necunoscută se utilizează ecuația Charlesby-Rosiak (3.19), care permite estimarea parametrilor de iradiere și în cazul unui sistem în care materialul inițial este un monomer sau un polimer ramificat [111].

unde:

D este doza de iradiere absorbită;

este doza de gelifiere;

este doza de iradiere virtuală sau doza necesară pentru a modifica distribuția masei moleculare a unui polimer astfel încât masa moleculară medie și numărul mediu al masei moleculare să fie egal cu 2, Mw/Mn = 2).

Calcularea dozei de gelifiere () și a raportului (degradare vs. reticulare) poate fi realizată prin utilizarea unui program disponibil gratuit pentru analiza sol-gel care are implementată ecuația dezvoltată de Charlesby și Rosiak [44, 111].

Din studiile de gonflare se pot determina randamentul de reticulare și dimensiunea ochiurilor rețelei polimerice din hidrogel, fără alte informații privind masa moleculară a polimerului chiar și în cazul sistemelor polimerice complexe.

Masa moleculară medie dintre două puncte de reticulare succesive și implicit densitatea de reticulare () se determină cu relația [110]:

unde:

este volumul specific al polimerului și este calculat ca reciproca densității;

este volumul molar al solventului;

și sunt fracțiile volumice ale hidrogelului obținut după iradiere și respectiv după gonflare până la echilibru;

este parametrul Flory-Huggins și care este o măsură a interacțiilor polimer-solvent.

Ecuația ) este o dezvoltare a teoriei clasice de gonflare a lui Flory pentru cazul în care reticularea are loc în soluție și pentru care este valabilă relația:

unde:

Vp și Vr reprezintă volumul polimerului înainte și după iradiere.

Dacă nu sunt luate în calcul lanțurile terminale ale polimerului, densitatea de reticulare

= (mol/g).

În practica curentă, randamentul radiochimic se calculează cu relația:

În acest caz, G(X) poate fi exprimat în funcție de , concentrația polimerului în soluția iradiată (g/L) și doza absorbită (D în Gray) [110].

Estimarea randamentelor radiochimice

Metoda Charlesby–Pinner

Conform definiției randamentului radiochmic, G = 1 moleculă/100 eV = 1,036 × 10−7 mol J−1 (sau 0,1036 μmol J−1).

Numarul de puncte de reticulare pe unitatea de monomer este dat de relația:

unde:

este numărul punctelor de reticulare dintr-o moleculă pe unitatea de doză.

Energia absorbită de o unitate monomerică/pe unitatea de doză este dată de relația:

unde:

este numărul lui Avogadro (= 6,0231023);

este masa moleculară a unei unități monomerice.

Astfel, randamentul radiochimic G (numărul de puncte de reticulare/100 eV) se determină cu relația ):

O legătură nou formată prin reticulare crează două puncte de reticulare, prin urmare:

Ecuația ) devine:

Doza de gelifiere (Dg) este doza la care o legătură reticulată este formată pe unitatea de masa moleculară medie a polimerului, iar polimerul devine parțial insolubil, s+s1/2 este egal cu 2.

Condiția critică pentru formarea gelului este ca 4G(X) > G(S), ecuația ) devine:

Fracțiile solubile și insolubile se determină prin extracție cu solvent, de regulă solventul este ales în funcție de solubilitatea polimerului din care este obținut hidrogelul. Cu creșterea dozei de iradiere, fracția solubilă scade, iar fracția de gel crește.

Prin reprezentarea grafică a datelor obținute din analiza sol-gel, s+s1/2 = f(1/D), se obține raportul G(S)/2G(X) din intersecția dreptei, iar din panta dreptei se obține raportul 4,82106/(G(X)MC) [72, 112].

Metoda Charlesby-Rosiak

Din practică, s-a dovedit ca prin aplicarea ecuației Charlesby-Pinner, nu rezultă o corelație liniară prin reprezentarea grafică a datelor

Principalele ipoteze sunt următoarele:

distribuția masei moleculare inițiale este aleatorie, unde (Mw,0)/ (Mn,0) = 2, acest raport mai fiind numit și indice de polidispersie (notat cu PDI) și semnifică că reacția de polimerizare/reticulare este terminată; cu cât valoarea PDI este mai mare cu atât distribuția masei moleculare este mai largă;

gradul de reticulare și cel de degradare sunt proporționale cu doza de iradiere;

structura polimerilor nu afectează reticularea sau degradarea lanțului polimeric principal;

Deoarece o distribuție uniformă a masei moleculare în care toate moleculele au aceeași dimensiune este un caz ideal și care se întâlnește rar în practică, ecuația a fost extinsă prin utilizarea unor funcții matematice empirice care descriu macromoleculele cu o distribuție îngustă sau largă a maselor moleculare [112-114].

Aplicațiile practice ale acestor ecuații modificate sunt limitate la polimeri cu distribuție cunoscută a masei moleculare. Pe baza acestor considerații, Charlesby și Rosiak, au propus o nouă formulă generală, care permite reprezentarea grafică a fracției solubile în funcție de doza de iradiere și care are întotdeauna o corelație liniară (ecuația3.19):

unde:

Dv este doza virtuală și este doza necesară pentru a schimba distribuția masei moleculare a polimerului;

Doza virtuală este un indicator al unor abateri existente în sistemele reale de la presupunerile făcute de Charlesby referitoare la distribuția greutății moleculare, precum și formarea aleatorie a reticulărilor;

Doza virtuală într-un sistem polimeric real poate fi determinată cu relația:

unde:

u1 este masa moleculară medie gravimetrică, , determinată în funcție de fracția masică a macromoleculelor;

u2 este masa moleculară medie numerică, , determinată în funcție de fracția molară a lanțurilor de polimer;

Doza de gelifiere, , se determină prin reprezentarea grafică s+s1/2 = 2.

Raportul sau () se obține din intersecția dreptei când D [115] .

Dv se calculează ca fiind panta dreptei în coordonate în funcție de doza absorbită;

Prin utilizarea unui soft corespunzător, disponibil on-line și gratuit (GelSol-http://mitr.p.lodz.pl/biomat/old_site/gelsol.html), care are implementate și modificarile introduse de Charlesby și Rosiak în ecuația inițială dezvoltată de Charlesby și Pinner se pot determina cu precizie, doza virtuală [116], doza de gelifiere (Dg) și raportul / pe baza variabilelor (s – fracția solubilă și D – doza de iradiere în kGy). Aceste date sunt obținute în analiza sol-gel de rutină după prepararea unui hidrogel.

Ecuația Rosiak–Charlesby a fost confirmată prin analiza datelor experimentale obținute pentru diverși polimeri sau sisteme polimerice tratate cu radiații ionizante [88, 117].

Teoria elasticității cauciucului

Cea de-a doua teorie utilizată pentru determinarea structurii hidrogelurilor este teoria elasticității cauciucului.

Hidrogelurile au comportare asemănătoare cu a cauciucului natural în ceea ce privește răspunsul elastic la aplicarea unei forțe. Dacă un hidrogel este supus unei deformări mai mici de 20%, se recuperează rapid ajungând la dimensiunea sa inițială. Pentru a explica acest comportament din punct de vedere termodinamic, se utilizează teoria elasticității cauciucului, care a fost dezvoltată de Treolar și Flory. Pentru hidrogelurile sintetizate în prezență de solvent, Peppas și colab. [104] au dezvoltat ecuații originale prin care se determină, parametrul :

unde:

este forța aplicată probei de polimer;

este densitatea polimerului;

R este constanta universală a gazului ideal;

T este temperatura experimentală absolută.

Această teorie poate fi utilizată pentru caracterizarea hidrogelurilor reticulate chimic sau fizic, cât și a hidrogelurilor care prezintă reticulare temporară, datorată legăturilor de hidrogen [106].

Metode experimentale de analiză și instalații de iradiere

Hidrogelurile sunt considerate o clasă de „materiale moi”, care în anumite condiții își pot schimba forma și proprietățile. Acestea sunt considerate sisteme reticulate, diluate și care nu prezintă proprietăți de curgere, în condiții de echilibru. Structura internă a rețelei unui hidrogel este caracterizată prin legături fizice (hidrogeluri fizice) sau chimice (hidrogeluri chimice), precum și prin formarea de cristale sau alte joncțiuni care rămân intacte în fluidul de gonflare. Practic, orice fluid poate fi utilizat ca mediu de gonflare: apa, solvenții organici, fluide fiziologice și aerul. Hidrogelurile au comportare reologică similară cu a materialelor solide elastice, adică nu curg, deși în mod obișnuit 80-90 % din greutatea lor este constituită din apă.

Datorită formării de noi legături chimice inter- și intra-moleculare între lanțurile polimerice, prin reacții de reticulare, hidrogelurile au structură și formă stabilă. Se poate considera că un hidrogel este o dispersie a unui polimer într-un fluid adecvat în care fluidul este faza continuă, iar solidul este faza discontinuă.

Tipul și densitatea legăturilor dintre lanțurile polimerice pot influența în mare măsură proprietățile hidrogelului rezultat. În general, cu cât densitatea de reticulare este mai mare, cu atât structura hidrogelului este mai rigidă. Tipul legăturilor dintr-o anumită rețea polimerică poate fi de natură diferită, un caz deosebit fiind acela în care lanțurile polimerice legate covalent se pot lega unele de celelalte prin interacții ne-covalente, formând o structură supramoleculară.

Comportamentul și structura unui hidrogel pot fi foarte diferite în funcție de tăria legăturilor existente. O structură formată din legături covalente are comportament elastic, datorită legăturilor încrucișate, care stabilizează lanțurile polimerice și îi conferă hidrogelului caracteristici asemănătoare cauciucului.

Hidrogelurile formate prin legături secundare (legături de hidrogen) sau interacțiuni hidrofobe datorită ruperii și reformării legăturilor reticulate, au un comportament viscoelastic.

Pentru toate tipurile de reticulări se ține seama de corelația dintre energia de legare și posibilitatea de reorganizare a rețelei polimerice.

În acest sens, se poate concluziona că atunci când contribuția elastică este mai mare, contribuția viscoelastică este mai mică [118].

Proprietățile hidrogelurilor se evaluează în general prin proprietățile materialelor componente, astfel dacă acestea se află într-un fluid adecvat, se pot auto-asambla în structuri de tip nano sau microrețele, sub formă de fibre, panglici, foi, sfere, rezultând formarea unei structuri 3-D care este interconectată prin multiple interacții ne-covalente (legături de hidrogen, coordinare metalică, interacții van der Waals, interacții π−π, forțe hidrofobe).

Calorimetrie dinamică diferențială și termogravimetrie

Calorimetria dinamică de baleiaj este o tehnică de analiză termică în care diferența de căldură necesară pentru a crește temperatura unei probe și referința acesteia este măsurată în funcție de temperatură. Principiul de bază al acestei metode este acela că, atunci când proba suferă o transformare fizică, o anumită cantitate de căldură mai mare sau mai mică va fi necesară pentru probă, în comparație cu proba de referința, astfel încât să se mențină la aceeași temperatură.

Atingerea punctului de gel este un proces de cristalizare controlat, care are loc în principal prin interacții necovalente și care poate fi determinat cu precizie prin DSC. Pentru hidrogeluri importante sunt tranzițiile gel sol, și solgel pentru care în curbele DSC apare un peak exoterm, respectiv endoterm [119, 120].

Tranzițiile de fază care au loc în timpul interacției apăpolimer, pun în evidență trei tipuri de apă: (a) apă legată primară, (b) apă legată secundar și (c) apă liberă.

Cunoașterea mecanismului de absorbție a apei în hidrogeluri este determinant pentru aplicații ulterioare, mai ales dacă aceste materiale sunt preparate pentru ingineria tisulară (pansamente pentru răni, implanturi sau alte dispozitive medicale).

Tipul de apă existentă într-o rețea polimerică hidrofilă, furnizează informații care caracterizează proprietățile de absorbție, difuzie și permeabilitate ale acestor materiale. După absorbția apei, datorită modificării structurii lanțului polimeric, proprietățile mecanice și fizice ale hidrogelurilor se pot modifica semnificativ.

Apa primară este strâns legată în matricea polimerică, datorită grupărilor polare hidrofile și care nu prezintă tranziție de fază în analiza calorimetrică. Apa secundară nu este strâns legată în matricea polimerică, este dată de interacțiunea grupelor hidrofobe care pot să interacționeze cu moleculele de apă, rezultate în procesul de gonflare. Apa secundară, prezintă în curbele DSC, temperaturi de topire și de cristalizare [20].

Prin DSC se caracterizează tranzițiile: topire, cristalizare și sticloasă [121], determinându-se temperaturile de topire, cristalizare și de tranziție sticloasă. Din datele DSC, se poate determina de asemenea natura interacției apă-polimer.

Într-un sistem compus dintr-un polimer amorf, apa absorbită de matricea polimerică acționează ca un plastifiant care crește mobilitatea lanțurilor polimerice și în același timp reduce Tg [122, 123].

Analiza termogravimetrică [121] este utilizată pentru evidențierea stabilității termice a hidrogelurilor prin care se determină temperatura la care începe degradarea termică (), temperatura la care degradarea termică este maximă () și temperatura la care procesul este complet () și pierderea procentuală de masă în timpul fiecărei etape (W%) [124].

Analiza reologică și determinarea densității de reticulare

Proprietățile de elasticitate sau rigiditate ale unui hidrogel pot fi evidențiate printr-o serie de parametrii mecanici [118]. Tehnicile cele mai utilizate pentru descrierea cantitativă a rezistenței la curgere (viscozitate) și a rezistenței la deformare a soluțiilor polimerice sunt reologia/vâscozimetria.

Reologia este o tehnică care oferă informații valoroase atât asupra structurii moleculare (determinarea dimensiunii lanțurilor macromoleculare și a densității de reticulare), a comportamentului hidrogelului, cât și a mecanismelor de auto-asamblare.

Pentru hidrogelurile formate din polimeri, reologia este probabil cea mai importantă tehnică de caracterizare fizico-chimică [125].

Atunci când o probă de hidrogel este introdusă între două discuri orizontale (sau cilindrii), iar după aplicarea unei tensiuni oscilante (sau forțe) de o anumită valoare pe unul dintre discuri, mișcarea indusă celuilalt disc este descompusă în două componente (în fază și defazată).

Modulul de stocare elastic (G, componenta elastică) și modulul de pierdere elastic (G, componenta vâscoasă) pot fi măsurate în funcție de tensiunea sau frecvența de oscilație aplicate.

În general, pentru identificarea formării unui hidrogel prin reologie, în mod obișnuit se folosesc două experimente:

răspunsul liniar al modulilor (G și G) la o tensiune fixă de amplitudine mică aplicată prin variația frecvenței;

răspunsul neliniar al modulilor la o frecvență fixă prin modificarea forței de forfecare.

Pentru un hidrogel tipic, G ar trebui să fie nevariabil cu frecvența până la o tensiune de curgere corespunzătoare tranziției de la starea de gel, până la starea de sol și ar trebui să depășească G, cu cel puțin un ordin de mărime. Dacă modulul G scade rapid prin aplicarea unei forțe, aceasta indică ruperea rețelei macromoleculare.

Comportamentul și magnitudinea modulilor (G și G), cât și tensiunile de curgere în funcție de forța aplicată (frecvența oscilatorie sau concentrația) pot fi modelate matematic și conduc la concluzii privind structura gelului [126].

Valorile modulilor G și G pot fi legate de densitatea de reticulare () prin utilizarea teoriei elasticității cauciucului, fiind demonstrat că dacă modulul de elasticitate a unui hidrogel în stare gonflată este multiplicat cu volumul fracției de polimer , prin care se poate determina parametrul (masa moleculară dintre două reticulării succesive), conform relației [127]:

unde:

este densitatea de reticulare [mol m−3];

este constanta gazului ideal (J/mol-1 K)−1;

T este temperatura [K].

Densitatea de reticulare poate fi exprimată în funcție de concentrația polimerului, ρ este exprimat în [g m−3].

Cu cât valoarea parametrului este mai mare, cu atât modulul elastic, este mai mic. Aceasta se datorează, în principal unei densități de reticulare reduse, sau mai precis datorită unei distanțe mari dintre punctele de reticulare, ceea ce conduce la obținerea unui hidrogel cu viscozitate mică. Prin reglarea corectă a parametrului dintre două puncte de reticulare, se pot obține hidrogeluri cu proprietăți elastice controlate. Pentru obținerea unui hidrogel cu rigiditate crescută, fie se crește concentrația polimerului inițial, fie parametrul trebuie să fie scăzut. Această abordare presupune și utilizarea unei concentrații crescute și de agent de reticulare [128].

Spectroscopia în infraroșu (FT-IR)

Spectroscopia în infraroșu este o tehnică nedistructivă simplă și fiabilă utilizată pe scară largă în cercetare și în industrie pentru identificarea prezenței diferitelor grupe funcționale caracteristice unei substanțe. Analiza FT-IR oferă informații despre structura și compoziția sistemului polimeric, dar permite și determinarea naturii interacțiilor necovalente responsabile pentru procesul de reticulare.

Poziția vibrației unei legături dintr-o anumită grupare funcțională depinde de substanța chimică. De exemplu:

grupările O−H care au capacitatea de a forma legături de H, conduc la scăderea frecvenței vibrațiilor.

o grupare O−H, legată intermolecular prin legături de H, prezintă vibrații la (3550-3450) cm-1;

gruparea carboxil (C = O), specifică acizilor, prezintă vibrația de întindere la 1700 cm-1;

gruparea amino (N−H), vibrație de întindere la 3300-3500 cm-1 [20, 120, 129].

Spectroscopia FT-Raman

Spectroscopia FT-Raman este o metodă nedestructivă utilizată pentru caracterizarea structurii și compoziției probelor de polimeri cu structură complexă. Această tehnică se utilizează atât în etapele de sinteză a hidrogelului, cât și în studiul gelului final, fie uscat, fie gonflat [130].

Analiza spectrelor Raman oferă informații importante în evaluarea interacțiunilor apă-polimer și a fracției de apă legată primar și secundar [131].

Metode microscoptice

Pentru caracterizarea morfologică și microstructurală a hidrogelurilor se folosesc diverse metode de microscopie, cum ar fi: microscopia electronică de baleiaj (SEM), microscopia de forță atomică (AFM) și microscopia electronică de transmisie (TEM) [132].Microscopia electronică de baleiaj (SEM) este o tehnică utilizată pentru validarea structurilor macromoleculare, specifice hidrogelurilor polimerice, prin furnizarea de informații cu privire la: dimensiunea și distribuția dimensiunii porilor unor rețele 3D.

Imaginile SEM sunt folosite pentru vizualizarea modului în care lanțurile polimerice se pot asocia pentru a forma o rețea 3D [133].

Metode computaționale

Proprietățile complexe ale hidrogelurilor pot fi analizate și cu ajutorul unor modele matematice incluse în metodele computaționale. În literatura de specialitate au fost propuse mai multe modele:

hidrogelul format din mai multe faze lichidă (apă), solidă (rețea polimerică), pentru care fiecare fază are proprietăți proprii (vâscozitate și densitate pentru faza apoasă și parametrii elastici/viscoelastici pentru faza solidă), plus alte proprietăți care sunt legate de interacțiunea dintre faze.

hidrogelul format dintr-o fază omogenă [118].

Pentru caracterizarea hidrogelurilor importantă este difuzia apei, determinată prin îmbinarea unor experimente de gonflare cu diferite modele matematice.

Studiul fenomenelor de difuzie a apei în hidrogeluri superabsorbante este de mare interes deoarece clarifică comportamentul polimerului pentru aplicații în: biomedicină, farmaceutică sau inginerie tisulară.

Difuzia apei în hidrogelurile reticulate implică migrarea moleculelor de apă în anumite spații (preexistente/formate) în rețeaua de hidrogel. În concluzie procesul de gonflare influențează creșterea distanței dintre lanțurile macromoleculare ale hidrogelului [134].

Pentru determinarea naturii difuziei apei în rețeaua hidrogelului a fost folosită următoarea ecuație:

unde

și reprezintă cantitatea de solvent difuzată în hidrogel la momentul , respectiv la atingerea echilibrului;

este o constantă dependentă de rețeaua macromoleculară;

este factor implicat în mecanismul de transport [121].

De exemplu, pentru:

, difuzia este de tip Fickian, care are loc prin interacții hidrofile;

, difuzia este de tip non-Fickian, care are loc datorită unui gradient de concentrație.

ecuația 3.38) este aplicată în etapa inițială de gonflare, până la 60% din maximul gradului de gonflare [135].

Instalații de iradiere

Iradierea cu radiații ionizante în scop comercial utilizează două surse principale de radiații: surse gamma cu Co60 și fascicule de electroni accelerați (EA) generate de acceleratoare de electroni. Iradierea industrială cu radiații ionizante implică absorbția unor doze mari de energie, astfel încât să rezulte o modificare a proprietăților materialului iradiat într-un mod benefic [136].

Instalații de iradiere cu Co60

Iradiatoarele industriale prevăzute cu surse pe bază de Co60 conțin aproximativ 1 MCi (megacurie) de material radioactiv, echivalentul a 3,71016 Bequerel sau a unei tone de radiu.

O sursă de Co60 de 1 MCi are o putere echivalentă de aproximativ 15 kW și poate iradia în medie 5 tone de material/oră cu o doză de 10 kGy.

Un iradiator industrial cu Co60 este compus din: cameră de iradiere, cameră de depozitare surse, dispozitive de transport al materialelor, de acționare a sursei și camera de control. Sursele sunt dispuse de obicei dreptunghiular pe suporturi care permit ridicarea și coborârea acestora din/în camera de stocare în timpul procesului de iradiere [137].

Sursele radioactive se stochează sub apă, în piscine special amenajate, iar instalarea acestora se realizează în incinte construite din beton special care asigură ecranarea radiațiilor. Materialele de iradiat se introduc în containere speciale care sunt dispuse în jurul sursei radioactive cu ajutorul unui conveior pneumatic (bandă transportoare), astfel încât materialul iradiat să absoarbă doza de iradiere nominală în mod uniform.

Dezavantajul major al surselor de Co60 este timpul mic de înjumătățire (5,27 ani), ceea ce presupune recondiționarea lor 2-3 ani. Utilizarea radiațiilor în procesări industriale este limitată datorită debitelor de doză scăzute, caracteristice acestora [73], dar este benefică pentru procese care necesită cantități mari de materiale.

Instalații de iradiere cu electroni accelerați

Acceleratoarele industriale de electroni sunt compuse din: injector, structură de accelerare, sisteme de putere și vacuum, fereastră de ieșire a electronilor și sistem de scanare a electronilor (baleior) pe suprafața materialului de iradiat. Accelerarea electronilor se realizează fie cu un sistem de putere de curent continuu, fie cu un sistem de radiofrecvență. Sursa de energie este de obicei o sursă de curent continuu de tensiune înaltă. Electronii sunt generați dintr-un catod termoionic la capătul negativ al tubului și sunt accelerați spre anod la potențial neutru.

Catodul se realizează din tungsten sub formă de filament acoperit cu o substanță specială cu randament ridicat de emisie de electroni. Emisia de electroni este dependentă de temperatura filamentului și dacă se reglează curentul prin acesta, automat se va regla intensitatea fasciculului de electroni emiși. Controlul fasciculului de electroni se poate face adăugând o grilă metalică alimentată de o sursă de tensiune reglabilă. Fasciculul de electroni este accelerat în câmpul electrostatic format între anod și catod. Între anod și catod se montează electrozi cu ajutorul cărora fasciculul de electroni este focalizat și baleiat. Prin baleiere fasciculul de electroni este deviat în axele xy (ale anodului) astfel ca să acopere în timp toată suprafața anodului care în cazul de față este chiar foița de metal fixată în fereastra acceleratorului de electroni [138].

Electronii câștigă continuu energie cinetică pe măsură ce trec prin structura de accelerare, iar după accelerare fasciculul de electroni este baleiat cu ajutorul unui electromagnet. Înainte ca fasciculul să ajungă în aer, este trecut printr-o foiță subțire de titan care constituie fereastra de ieșire a fasciculului.

Intensitatea fasciculul de electroni este controlată de doi parametri și anume tensiunea de accelerare și curentul de fascicul. Intensitatea curentului de fascicul reprezintă numărul de electroni accelerați pentru care la 1A 6,24 1018 electroni/s.

Energia electronilor influențează în mod direct puterea de penetrare a radiației în materialele iradiate. Puterea totală a unui fascicul de electroni este obținută prin înmulțirea tensiunii de accelerare cu curentul de fascicul. De exemplu, pentru intervalul de energie cuprinse (0,01 – 10) MeV, puterea de fascicul variază între (0,5 – 200) kW.

O instalație industrială de prelucrare cu fascicule de electroni include acceleratorul de electroni, echipamentul de manipulare a materialelor, ecranul de protecție împotriva radiațiilor, sistemul de ventilație pentru evacuarea ozonului și sistemul de control.

Pentru aplicațiile comerciale, cele mai importante caracteristici ale acceleratorului sunt energia electronilor și puterea medie a fasciculului. Penetrarea electronilor în materialele iradiate crește cu energia lor cinetică, în timp ce eficiența procesului de iradiere crește cu puterea de fascicul.

Fasciculele de electroni sunt monoenergetice și au o putere considerabil mai mare în comparație cu fasciculele generate de radiațiile . Puterea medie a fasciculului la acceleratoarele moderne de energie medie sau mare, poate fi până la 200 kW sau chiar mai mare, iar debitele de doză pot ajunge la 100 kGy/s [88].

PARTEA II – CONTRIBUȚII ORIGINALE

METODE FIZICO-CHIMICE ȘI INSTALAȚII DE IRADIERE UTILIZATE PENTRU OBȚINEREA ȘI CARACTERIZAREA HIDROGELURILOR

În această parte se descriu metodele fizico-chimice de caracaterizare a hidrogelurilor obținute prin reticulare cu electroni accelerați și radiații gamma, alături de parametrii cheie, de instalații și echipamentele corespunzătoare folosite în realizarea tezei.

Fracția de gel

Pentru determinarea fracției de gel – fracția insolubilă și sol – fracția solubilă, probele de hidrogel cu diametrul de 10 mm au fost tăiate în bucăți de (4 – 5) mm grosime. Hidrogelurile au fost uscate într-o etuvă cu vid până masă constantă, după care au fost imersate în apă deionizată timp de 48 de ore la temperatură constantă de 25°C. După 48 ore, hidrogelurile au fost uscate din nou în etuva cu vid la temperatură constantă (30°C) până la masă constantă.

Fracția de gel a fost calculată ca media a trei determinări, iar fracțiile solubile și insolubile de gel au fost determinate cu relațiile ) și ).

Gradul de gonflare

Gradul de gonflare la echilibru a fost determinat atât în apă deionizată, cât și în soluții simulate de pH și temperatură fiziologică (PBS, 37˚C, pH = 7,4), până la atingerea condiției de echilibru. Gradul de gonflare (GG) a fost calculat în funcție de masa hidrogelului în stare uscată () și gonflată (), utilizând ecuația ).

Deoarece soluția tampon fosfat (PBS) imită mediul fiziologic similar organismului uman (concentrația ionilor, pH, osmolaritatea), stabilitatea și capacitatea de gonflare, hidrogelurile pe bază de colagen și PVP au fost studiate în aceste condiții.

Analiza sol-gel

Pentru descrierea completă a procesului de reticulare cu radiații (γ și EA) a amestecurilor polimerice, cu adiție sau fără agenți de reticulare, a fost utilizat un program gratuit, disponibil online (GelSol95). Doza de gelifiere (, raportul (degradare vs. reticulare) și au fost calculate conform ecuației ), iar randamentele radio-chimice de reticulare , respectiv au fost calculate pe baza ecuațiilor ) și ).

Spectroscopia ATR-FTIR

Spectrele în infraroșu cu transformată Fourier (FTIR) ale probelor neiradiate și iradiate au fost realizate cu un instrument Spectrum 100 (Perkin Elmer, USA) echipat cu cristal de Zn-Se sau diamant. După îndepărtarea fracției solubile, hidrogelurile au fost uscate până la masă constantă și apoi au fost utilizate pentru analiza FTIR. Spectrele au fost obținute în modul ATR și fiecare spectru a fost realizat din 20-40 de scanări/probă, în intervalul de lungime de undă de (4000-600) cm-1 cu o rezoluție de 4 cm-1. Spectrele înregistrate au fost prelucrate utilizând programele de analiză Spectrum v. 6.3.2.

Spectroscopia FT-Raman

Instrumentul FT-Raman utilizat a fost un spectrometru Vertex 70 cuplat la un modul Raman (RAM II), produs de Bruker Optics (Germania) cu următoarele caracteristici tehnice: sursă laser Nd:YAG cu lungimea de undă de 1064 nm, interval spectral cuprins între (50- 3600) cm-1, prevăzut cu detector răcit cu azot lichid. Puterea sursei laser utilizată la înregistrarea spectrelor a fost stabilită în domeniul 100-500 mW.

Spectrele Raman ale hidrogelurilor înainte și după iradierea cu EA au fost înregistrate în aer și temperatura camerei, cu 20 de scanări/proba la o rezoluție de 4 cm-1 prin utilizarea unei sonde mobile FT-Raman. Toate spectrele Raman au fost prelucrate cu softul OPUS v 6.5.

Analiza reologică

Pentru a determina carateristicile reologice în funcție de doza de radiație absorbită pentru hidrogelurile obținute prin reticulare cu radiații γ, s-au determinat moduli – modul elastic și – modulul vâscos prin măsurători de reologie oscilatorie. Toate experimentele au fost efectuate la 25°C în regiunea viscoelastică liniară (LVR), la o rată de deformare și la valori ale frecvenței cuprinse între (0,01-100) rad s-1, așa cum a fost determinat prin testele de deformare preliminare (eng.strain sweep).

Pentru aceste experimente s-a utilizat un Reometru Thermo MARS II echipat cu două discuri cu diametrul de 20 mm (geometria plăcilor). Distanța dintre cele două discuri a fost setată la 0,139 mm.

Pentru a determina caracterul viscoelastic al hidrogelurilor pe bază de colagen, PVP și PEO (capitolele 7 și 8) s-au efectuat măsurători reologice în regim dinamic prin utilizarea unui reometru microfourier MFR 2100 (GBC, Australia) echipat cu o camera termostatată conectată la o baie de apă Lauda E100.

Probele de hidrogel, au fost așezate între cele două plăci circulare paralele ale instrumentului și supuse unei mișcări pseudooscilatorii produsă prin oscilația verticală a plăcii superioare.

Mișcarea oscilatorie a plăcii superioare se efectuează după o formă de undă obținută prin însumarea sinusoidelor corespunzătoare tuturor frecvențelor din domeniul de măsură setat și exercită asupra probei o forță care este detectată direct de o celulă de sarcină dedicată.

Cele două tipuri de module viscoelastice (G' și G") împreună cu alți parametri (vâscozitatea complexă și componentele acesteia, tangenta unghiului de pierdere) au fost obținute prin analiza Fourier a semnalului de forță obținut pentru cele 400 de frecvențe discrete concomitent.

Toate măsurătorile au fost efectuate în triplicat cu o deviație standard relativă mai mică de 15% la aceeași temperatură constantă de 23,0 ± 0,10oC. Parametrii de funcționare ai instrumentului în timpul investigării reologice au fost: decalajul dintre plăci – 400 μm, amplitudinea deplasării – 0,03 μm (pentru a cădea în domeniul viscoelasticității liniare), domeniul de frecvență – 0,005 – 2,000 Hz (cu o treaptă de 0,005 Hz care conduce la frecvențe unghiulare, în rad/s, de 2π ori mai mari decât frecvențele corespunzătoare în Hz), timp de echilibrare pentru fiecare dintre măsurătorile izoterme – 20 min, 30 scanări pe reogramă.

Determinarea densității de reticulare (

Pentru caracterizarea structurii reticulate a hidrogelurilor de C-PVP, definită prin masa moleculară dintre două puncte de reticulare succesive (), densitatea de reticulare (), respectiv dimensiunea ochiurilor de rețea (ξ). Parametrii , și ξ au fost estimați folosind teoria gradului de gonflare la echilibru și teoria elasticității cauciucului.

Teoria elasticității cauciucului dezvoltată de Treolar [139] oferă o modalitate de a calcula cei mai importanți parametri ai unei structuri reticulate prin determinarea modulului de elasticitate (. Probele de hidrogel în stare gonflată au fost evaluate prin teste de reologie oscilatorie în regiunea viscoelastică liniară.

Valorile mediate obținute pentru modulul elastic () au fost utilizate pentru determinarea parametrilor , și ξ .

Pentru caracterizarea rețelei de hidrogel obținut prin iradiere, cei mai importanți parametrii sunt:

masa hidrogelului după iradiere ) și masa hidrogelului după gonflare );

fracția volumetrică a hidrogelului după iradiere (după reticulare, ));

fracția volumetrică a polimerului în stare gonflată (), care exprimă cantitatea de lichid absorbită și reținută de gel;

masa moleculară a lanțului polimeric între două reticulari succesive () s-a calculat potrivit teoriei lui Flory folosind (ecuația 3.20), modificată pentru cazul când se formează legături reticulate în soluție;

masa moleculară a lanțului polimeric între două reticulari succesive () s-a calculat cu ecuația (3.36) folosind datele de reologie;

dimensiunea ochiului de rețea (ξ) s-a calculat cu (ecuația ).

densitatea de reticulare () s-a calculat cu relația ) [140, 141].

Conform (ecuației 3.13):

sunt unitățile monomerice de PVP și colagen, luate ca medie (PVP = 112,88 g·mol-1 și colagen = 321,32 g·mol-1. Este cunoscut că o unitate monomerică de colagen constă în principal din următoarea secvență de aminoacizi, Gly-X-Y unde Gly = Glicină, X = Prolină și Y = Hidroxiprolină;

este raportul caracteristic Flory și a fost calculat ca media rapoartelor caracteristice ale polimerilor constituenți, colagen = 9 [142], PVP = 12,3 [143].

este lungimea legăturii carbon-carbon (0,154 nm).

Conform (ecuației ):

este este volumul molar al apei, considerat 18,0 cm3 mol-1;

este volumul specific al polimerului, este calculat ca reciproca densitătății;

este parametrul Flory-Huggins și care este o măsură a interacțiilor polimer-solvent;

masa hidrogelului reticulat, a fost calculată ca: = ;

masa hidrogelului după gonflare fost calculată ca: = masa hidrogelului după gonflare/masa uscată de hidrogel;

fracțiile volumetrice ale hidrogelului după iradiere (după reticulare, )), dar înainte de gonflare au fost calculate cu ajutorul relațiilor:

fracțiile volumetrice ale hidrogelului în stare gonflată, au fost calculate cu relația:

unde și sunt densitățile polimerului și solventului.

Microscopie electronică de baleiaj

Structura morfologică a hidrogelurilor de colagen-PVP a fost observată prin utilizarea unui microscop electronic cu baleiaj (SEM), model FEI Inspect S (FEI Co. Ltd.) care funcționează la o tensiune de accelerare de 20 kV. Probele de hidrogel au fost gonflate până la echilibru în soluție tampon fosfat (PBS) la pH = 7,4, ulterior fiind liofilizate. Secțiunea transversală a probelor de hidrogel liofilizate a fost observată după acoperirea cu aur. Imaginile SEM au fost achiziționate la următoarele măriri: 200X, 500X, respectiv 50 000X.

Analiza termică

Analizorul termic simultan STA 409 PC Luxx (NETZSCH Geratebau GmbH, Germania) echipat cu TG/DSC tip K a fost utilizat pentru a studia stabilitatea termică a colagenului, PVP și amestecurilor de colagen-PVP iradiate în scopul stabilirii comportamentului termic al acestor amestecuri iradiate cu EA. Toate probele au fost investigate în regim dinamic în atmosferă inertă de azot, cu un debit de 40 ml/min, masa probei ~10 mg, cu viteza de încălzire de 10 K min-1, în intervalul de temperatură (25-500)°C. Curbele TG/DTG și DSC au fost obținute utilizând softul NETZSCH Proteus Thermal Analysis. Probele au fost încălzite într-un creuzet de aluminiu, iar ca referință a fost folosit un creuzet gol.

Difuzia apei

Mecanismul de difuzie al apei în hidrogelul superabsorbant a fost evaluat utilizând datele obținute din experimentele de gonflare. Datele obținute până la 60% din capacitatea de gonflare maximă (stadiul inițial de gonflare) au fost prelucrare conform legii lui Fick. Dependența cantității de apă absorbită în hidrogeluri, , în funcție de timp (, minute), a fost folosit pentru analiza mecanismului de difuziei al apei. Folosind cinetica de gonflare, au fost reprezentate grafic , în funcție de și , în funcție de . Constantele de difuzie (), exponenții de difuzie () și coeficienții de difuzie () au fost calculați din pantele și intersecția dreptelor.

Instalații de iradiere

Experimentele de iradiere cu fascicule de EA s-au realizat în cadrul Institutului Național de C&D pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR), Laboratorul Acceleratoare de Electroni, iar experimentele cu radiații , la Institutul Național de C&D pentru Fizică și Inginerie Nucleară (IFIN-HH), Centrul de Iradieri Tehnologice – IRASM.

În cadrul INFLPR, sunt instalate și utilizate pentru aplicații de C&D, două acceleratoare liniare de electroni cu undă progresivă (ALIN 10 – 6,23 MeV și ALID 7 – 5 MeV).

În continuare sunt prezentate principalele caracteristici tehnice ale instalațiilor de iradiere cu electroni accelerați utilizate pentru prelucrarea hidrogelurilor.

ALIN-10 generează la ieșirea din structura de accelerare impulsuri de electroni de 3,5 s, cu frecvența de repetiție de 100 Hz, energie medie de 6,23 MeV și curent în impuls de 75 mA. Debitul de doză în fascicul proiectat la 90˚, la frecvența de repetiție a impulsurilor de fascicul de 100 Hz și la distanța de 50 cm de fereastra de ieșire a electronilor din electromagnetul deflector este de 4 kGy/min.

Caracteristicile instalației de iradiere ALID-7 sunt următoarele: energia la puterea maximă a fasciculului de electroni: 5,5 MeV; energia maximă a fasciculul de electroni la curent quasinul: 12,46 MeV; intensitatea curentului de electroni accelerați în impuls: 130 mA; durata impulsului de electroni accelerați: 3.75 μs; puterea medie a electronilor accelerați la 50 Hz: 134 W. Debitul de doză în fascicul baleiat, la frecvența maximă de repetiție a impulsurilor de electroni de 250 Hz și la 30 cm de fereastra de ieșire a electronilor din baleior este de 25 kGy/min.

Figura 4.1. Acceleratorul liniar de electroni – ALID 7

HIDROGELURI SUPERABSORBANTE DE COLAGEN ȘI POLIVINILPIROLIDONA (PVP) OBȚINUTE CU RADIAȚII GAMMA

Obținerea și caracterizarea structurii supramoleculare a hidrogelurilor

Hidrogelurile superabsorbante pe bază de colagen și polivinilpirolidonă (PVP) au fost obținute prin reticulare cu radiații γ în absența oxigenului.

Gelul de colagen a fost obținut din piele de vițel prin tehnologia de extracție elaborată de Institutul Național de C&D pentru Textile și Pielărie.

Soluția de PVP 5% a fost obținută prin dizolvarea a 5 g de PVP360 (Sigma Aldrich Co., USA), cu masa moleculară medie = 3,6 , în 95 ml apă deionizată la 80°C, sub agitare magnetică până la solubilizarea completă a polimerului. Soluția obținută a fost răcită la temperatura camerei. Pentru prepararea amestecului apos de colagen și PVP, volume egale de gel de colagen (2,1%) și PVP360 (5%) au fost amestecate prin agitare magnetică la temperatura camerei până la omogenizarea completă. Această soluție a format substratul pentru iradiere.

Amestecul de colagen-PVP a fost introdus în seringi din plastic de 10 ml, iar înainte de iradiere, fiecare probă a fost degazată prin ultrasonare și sigilată pentru a evita degradarea avansată din cauza conținutului de oxigen.

Reticularea sistemului colagen-PVP prin iradiere cu radiații γ a fost efectuată la iradiatorul industrial pe bază de 60Co (SVST Co-60/B) din cadrul Centrului de Iradieri Tehnologice – IRASM al Institutului Național de C&D pentru Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH).

Măsurarea debitului de doză și a dozei de iradiere absorbită pentru hidrogelurile de colagen și PVP obținute prin reticulare cu radiații γ a fost realizată prin dozimetrie chimică cu sistemul dozimetric etanol-monoclorbenzen (ECB). Iradierile amestecurilor apoase de colagen-PVP au fost efectuate la debitul de 1,1 kGy/h cu doze de iradiere cuprinse în intervalul (5 – 50) kGy. Raportul uniformității dozei absorbite () = 1,09.

Mecanismul de reticulare cu radiații γ a hidrogelurilor pe bază de colagen și PVP

În soluțiile polimerice apoase diluate, radiația ionizantă este absorbită în principal de apă, cu formare de radicali hidroxil (HO•), atomi de hidrogen (H•) și alte specii, de ex. , și . Radicalii HO• și H• sunt principalele specii reactive responsabile pentru formarea macroradicalilor, în principal prin extragerea unui atom de de H.

Principalii radicali generați în timpul iradierii unei soluții apoase de PVP precum și structura lor chimică se găsesc în lucrările lui Davis și colab., Rosiak și colab. [144, 145]. Ulterior structura chimică a radicalilor generați după iradierea PVP în soluție apoasă a fost revizuită de către An și colab. [146], iar mecanismul complex de reacție a fost prezentat de către Sabationo și colab. [147].

La iradierea unei soluții apoase de colagen se presupune că radicalii HO• și H• inițiază formarea macroradicalilor de colagen [63]. Radicalul HO• extrage un atom de hidrogen și formează o moleculă de apă, iar atomii de hidrogen extrag din molecula de colagen un alt atom de hidrogen, formând o moleculă de H2, care apare sub forma bulelor de gaz în timpul procesului de reticulare. Când un sistem format din colagen, PVP și apă este expus la radiația γ, se formează o serie de macroradicali din moleculele de colagen și PVP, care dau naștere la reacții de recombinare, ceea ce este prezentat în Schema 5.1.

Reacția 1 reprezintă mecanismul general de radioliză a apei. Reacția 2 reprezintă formarea celor mai stabile structuri de radicali în urma radiolizei PVP în soluție apoasă. Reacția 4 prezintă mecanismul de formare a unui radical de colagen, iar reacțiile 3 și 5 sugerează reacțiile specifice de recombinare a radicalilor liberi specifici colagenului și PVP, cât și structurile rezultate în urma reticulării. Pe baza mecanismelor de reacție existente în literatură pentru reticularea colagenului [148, 149] și a sistemelor de colagen-dextran prin iradiere cu radiații γ [150], am propus un mecanism de reticulare cu radiații γ pentru sistemul colagen-PVP potrivit reacției 6. Reacția are loc prin recombinarea specifică a radicalilor liberi de PVP cu un radical de colagen, cu formarea unei legături covalente între macroradicalii de PVP și colagen. Aceste legături stabilizează structura triplu-helix a colagenului care este cea mai susceptibilă la degradare în timpul procesului de reticulare cu radiații.

Schema 5.1. Mecanismul de reacție propus pentru reticularea hidrogelului de colagen și PVP

cu radiații γ

Analiza sol-gel

Evaluarea procesului de reticulare cu radiații prin analiza sol-gel s-a realizat estimând o serie de parametrii: randamentele de reticulare G(X) și de degradare G(S), doza de gelifiere (), precum și corelarea acestora cu alte proprietăți fizico-chimice [20]. Figura 5.1a ilustrează evoluția fracției de gel în funcție de doza absorbită, se observă că fracția de gel este ridicată chiar și la doze mici (la 5 kGy depășește 65%) și crește cu doză absorbită.

Figura 5.1. Fracția de gel în funcție de doza de iradiere; b) Analiza sol-gel (ecuația 3.19)

Doza de gelifiere (), raportul (degradare vs. reticulare) și doza virtuală () au fost calculate cu ecuația ), utilizând un software disponibil gratuit, care a implementat atât ecuațiile Charlesby-Pinner, cât și Charlesby-Rosiak [44]. În ceea ce privește raportul p0/q0 calculat cu ecuațiile Charlesby-Pinner și Charlesby-Rosiak, se observă că are valori diferite ().

Tabelul 5.1. și calculate cu ecuațiile Charlesby-Pinner și Charlesby-Rosiak

Valoarea raportului, de 0,14, indică un proces de degradare aproape neglijabil știind din literatură că o valoare mai mare de 2 indică de obicei prezența unui proces de degradare.

Deoarece procesele de reticulare și degradare au loc simultan în timpul iradierii soluțiilor polimerice, determinarea randamentelor de reticulare G(X), respectiv de degradare G(S), oferă informații importante despre rezultatul final al iradierii. În acest studiu, parametrii G(X) și G(S) au fost calculați din date experimentale ale proprietăților de gonflare a hidrogelurilor de colagen-PVP. Această metodă permite obținerea valorii G(X) fără informații privind masa moleculară a polimerilor și se poate aplica și în cazul sistemelor mai complicate, unde pot apărea reacții de reticulare și degradare a lanțurilor polimerice la iradiere.

Un gel reticulat se gonflează într-o anumită măsură, în funcție de concentrația efectivă a lanțurilor macromoleculare, adică de densitatea de reticulare (), mărime legată de masa moleculară medie dintre două puncte de reticulare succesive [117].

Estimarea randamentelor de reticulare G(X) și de degradare G(S), s-a făcut cu ecuațiile ) și ) și au valorile prezentate în Tabelul 5.2.

Tabelul 5.2. Valorile randamentelor radiochimice de reticulare și degradare

Pentru hidrogelul de colagen-PVP iradiat în soluție apoasă nu au fost găsite în literatură date referitoare la valoarea randamentului de reticulare. Este semnalată valoarea de pentru hidrogelurile de PVP în soluții saturate cu argon [25].

În cazul studiului întreprins în teză, valoarea maximă a lui G(X) a fost de pentru doza de iradiere de 5 kGy, cu o tendință de scădere cu doza de iradiere. Randamentul de degradare a fost cu mai mult de un ordin de mărime mai mic față de randamentul de reticulare, având de asemenea o tendință de scădere cu doza de iradiere. Acest lucru era de așteptat, deoarece densitatea de reticulare () crește cu doza absorbită, apare o structură de hidrogel mai densă, care lasă mai puține posibilități de formare a unor noi legături covalente și a unor procese de degradare prin reacții de scindare a lanțurilor macromoleculare.

Gradul de gonflare

Pentru a evalua capacitatea de absorbție, structura rețelei și densitatea de reticulare efectivă a hidrogelurilor de colagen-PVP, au fost investigate proprietățile de gonflare în apă deionizată. Experimentele de gonflare s-au efectuat până când gradul de gonflare a atins o valoare constantă (gonflare la echilibru) pentru fiecare probă iradiată în intervalul (5-50) kGy. Gradul de gonflare în funcție de timpul de imersie în apă este prezentat în figura 5.2, care sugerează că echilibrul se atinge după 700 de minute, ceea ce înseamnă că s-a format o structură densă, adică un hidrogel stabil.

Se observă că gradul de gonflare scade cu creșterea dozei absorbite în procesul de reticulare, ceea ce înseamnă că densitatea de reticulare crește cu creșterea dozei.

Figura 5.2. Gradul de gonflare a hidrogelului în funcție de timpul de imersie în apă

Difuzia apei și mecanismul procesului de gonflare

Acest studiu a fost realizat pentru a iniția și susține studii viitoare care vizează integrarea biomacromoleculelor sau medicamentelor în matricea hidrogelurilor bazate pe colagen și PVP. Pentru caracterizarea cineticii de gonflare s-au trasat următoarele grafice: ) și ) (figura 5.3), din care au fost determinați parametrii , și coeficienții de difuzie () (panta și intersecție). Pentru un mecanism de difuzie de tip non-Fickian, densitatea de reticulare este crescută, ceea ce înseamnă înglobarea unei cantități mici de apă, care evident duce la scăderea ratei de difuzie [151, 152].

Se știe că cel mai mare conținut de apă în hidrogeluri este apa liberă, similară cu apa care provine din exteriorul gelului. Într-o rețea polimerică de hidrogeluri, există trei tipuri de structuri de apă: apă liberă, apă legată primar și apă legată secundar (vezi Capitolul 3 – metode computaționale)

Când un hidrogel este introdus în apă, apare în primul rând apa legată primar, datorită hidratării grupărilor hidrofile existente și care este foarte greu de îndepărtat [20].

Valorile parametrilor (), () și () pentru hidrogelurile studiate în raport cu doza de iradiere sunt prezentate în tabelul 5.3.

Tabelul 5.3. Parametrii , și coeficienții de difuzie ()

Se observă că:

valorile lui () sunt situate în domeniul 0,580,68, scad cu creșterea dozei de iradiere, și indică că tipul de difuzie a apei în hidrogelurile de colagen-PVP este non-Fickian.

valorile lui () au crescut până la doza de 10 kGy, după care scad.

Tipul de transport non-Fickian este specific pentru hidrogelurile reticulate [151, 152], astfel că valorile lui () pot fi legate și de mecanismul de transport al unor medicamente sau substanțe active în hidrogel.

Figura 5.3. a) Curbele cinetice de gonflare; b) Reprezentarea grafică în funcție de

Analiza reologică

Măsurătorile de reologie sunt utilizate în mod curent atât pentru determinarea proprietăților mecanice și de curgere ale unui hidrogel, cât și pentru stabilirea tipului rețelei hidrogelului (interconectată sau gel reticulat covalent).

S-a demonstrat ca hidrogelurile reticulate prin legături covalente prezintă un modul de elasticitate () mai mare decât modulul viscos () [153].

Valorile lui și în funcție de viteza unghiulară (ω) obținute pentru hidrogelurile de colagen-PVP sunt prezentate în figura 5.4(a) respectiv 5.4 (b).

Figura 5.4. Variațiile modulilor (a) și (b) în funcție de viteza unghiulară

Hidrogelurile studiate prezintă un modul de elasticitate în bună aproximație constant în intervalul . În acest interval, s-a observat un comportament predominant elastic pentru toate hidrogelurile obținute prin iradiere, ceea ce sugerează formarea unei rețele permanente.

Din figura 5.4 se observă că crește până la doza de 25 kGy (ajunge la 100 Pa), iar la doza de 50 kGy, scade, ceea ce înseamnă că la doze de radiații mai mari pot avea loc scindări în structura hidrogelului, vizibile în scăderea randamentului de reticulare cu creșterea dozei.

Se poate concluziona că la doze mari apar structuri rigide cu proprietăți elastice mai slabe, în concordanță cu valorile mici ale lui .

Spectroscopia ATR-FTIR

Modificările structurale care au apărut după iradierea cu radiații γ în hidrogelurile de colagen-PVP au fost monitorizate prin spectroscopie ATR-FTIR.

Spectrele FTIR au fost achiziționate așa cum s-a prezentat în capitolul 4, atât pentru colagen și PVP în stare pură (figura 5.5a și 5.5b), cât și pentru amestecurile fizice de colagen-PVP neiradiate (figura 5.6) și hidrogelurile obținute prin iradiere (figura 5.7).

Moleculele de PVP și colagen formează în apă amestecuri miscibile datorită interacțiunii moleculare prin legături de hidrogen vizibile în spectrele FTIR [154].

Figura 5.5. Spectrul FTIR pentru colagen și PVP pur

Principalele benzi de absorbție caracteristice colagenului sunt: amida A la ~ 3300 cm-1, amida B la 3070 cm-1, amida I la (1600-1700) cm-1, amida II la (1500-1550) cm-1 și amida III la (1200-1300) cm-1.

Poziția benzilor de absorbție caracteristice pentru amida A și amida B este de regulă corelată cu structura conformațională a colagenului. În unele cazuri, atunci când ordinea structurală a unei proteine este afectată, frecvența acestor benzi scade și ea. Când se identifică o deplasare spre lungimi de undă mai mici a acestor benzi de absorbție, structura conformațională a colagenului este adesea afectată în principal datorită degradării legăturilor de hidrogen din structura sa [155].

Benzile de absorbție caracteristice moleculei de PVP (figura 5.5b), sunt:

3470 cm-1, caracteristice vibrațiilor de întindere a grupărilor ;

2870-2950 cm-1, caracteristice vibrațiilor de întindere a grupărilor și ;

1664 cm-1, caracteristice vibrațiilor de întindere a grupărilor și;

1370/1420/1459/1490 cm-1, caracteristice vibrațiilor de deformare a grupărilor din inelului pirolidinic;

1265/1280 cm-1, caracteristice vibrațiilor de întindere a benzii de amidă III.

Interacția intermoleculară dintre colagen și PVP are loc în principal prin formarea de legături de hidrogen, acestea fiind vizibile în spectrul FTIR prin deplasarea benzilor de absorbție corespunzătoare grupărilor care implică legături de hidrogen. Spre exemplu, colagenul este donor de protoni, conținând în molecula sa grupări OH și NH, care formează legături de hidrogen cu gruparea carbonil (), acceptoare de protoni din molecula de PVP [154].

Pentru amestecul de colagen și PVP neiradiat au fost identificate și atribuite următoarele benzi:

3320 cm-1, amida A din structura colagenului s-a deplasat spre numere de undă mai mari după formarea amestecului și a fost atribuită vibrației de întindere a grupării OH;

3075 cm-1, amida B din structura colagenului s-a deplasat ușor spre numere de undă mai mari și a fost atribuită vibrației de întindere a grupării NH2;

2956 cm-1 (picul 1), 2928 cm-1 (picul 2) și 2878 cm-1 (picul 3), caracteristice vibrațiilor de întindere a grupărilor și ;

1644 cm-1, amida I este caracteristică colagenului și a fost atribuită vibrațiilor de întindere a grupărilor () de tip peptidic;

1548 cm-1, amida II caracteristică colagenului, după formarea amestecului nu și-a modificat poziția, dar a scăzut în intensitate. De regulă, poziția acestei benzi este asociată și cu structura helix a colagenului [156] și este specifică vibrațiilor de întindere a grupărilor și ;

Figura 5.6. Spectrul FTIR pentru amestecul de colagen-PVP neiradiat

1423 cm-1, vibrația de deformare a grupărilor din inelului pirolidinic al PVP;

1290 cm-1, vibrația de întindere a benzii de amidă III specifice PVP;

1232 cm-1, amida III specifică moleculei de colagen și a fost atribuită vibrației de deformare a grupărilor și și din inelul pirolidinc caracteristic structurii triplu helix a colagenului de tip I [157].

În figura 5.7 se prezintă spectrele FTIR în intervalul (4000-600) cm-1 și spectrul FTIR detaliat în domeniul (30002800) cm-1 pentru hidrogelurile de colagen și PVP pentru care s-au identificat și atribuit următoarelor benzi:

(3800-2600) cm-1 din care se observă benzile de absorbție specifice pentru amida A și amida B caracteristice colagenului și vibrațiile de întindere ale grupelor funcționale , și ;

în acest interval, s-a observat o creștere a intensității benzilor de absorbție odată cu creșterea dozei absorbite, cu excepția probelor iradiate la 5 kGy;

cele mai importante deplasări ale benzilor de absorbție caracteristice spre valori mai mici ale numărului de undă au fost găsite pentru proba iradiată la 50 kGy, de la 3320 cm-1 la 3308 cm-1.

3075 cm-1, pentru toate probele iradiate, poziția benzii de amida B a rămas neschimbată;

Figura 5.7. Spectrele FT-IR pentru hidrogelurile de colagen–PVP obținute la dozele de iradiere cuprinse în intervalul (5-50) kGy și detaliul al spectrului FTIR în intervalul (3000–2800) cm-1

Formarea legăturilor de hidrogen sau alte interacțiuni secundare între grupările chimice a doi polimeri diferiți, determină de obicei schimbarea poziției picurilor grupărilor participante.

Interacțiile care au loc prin formarea de legături de hidrogen, deplasează vibrațiile de întindere ale grupărilor de tip O-H, spre exemplu spre numere de undă mai mici, însoțite de creșterea intensității și lărgirea picului caracteristic. Deplasarea poziției picului depinde de puterea interacțiunii [158].

Cu creșterea dozei absorbite de la 5 kGy până la 50 kGy, s-a observat o deplasare ușoară spre numere de undă mai mari, de la 2949 cm-1 la 2954 cm-1 pentru picul 1. Poziția picului 2 a avut o tendință descrescătoare, de la 2928 cm-1 până la 2923 cm-1, dar a crescut în intensitate la doze de iradiere de 25 de kGy. Picul 3, s-a deplasat doar în cazul probelor iradiate cu 5 kGy de la 2878 cm-1 până la 2851 cm-1 (indicat ca pic 4). De asemenea și pentru acest interval a fost observată o creștere a intensității benzilor de absorbție cu creșterea dozei absorbite.

Din date FTIR se poate verifica dacă structura triplu-helix a colagenului a fost deteriorată în urma iradierii. Această verificare s-a făcut prin calcularea raportului dintre intensitatea picului caracteristic benzii de amidă III (1240 cm-1) și intensitatea picului benzii de absorbție situat la 1450 cm-1[159].

În cazul studiului întreprins în teză, raportul 1240 cm-1/1450 cm-1 pentru colagenul pur are valoarea de 1,09, iar pentru amestecul de colagen-PVP neiradiat are valoarea 0,88.

S-a observat că în urma iradierii amestecului de colagen-PVP, valoarea acestui raport scade cu creșterea dozei, de la 0,96 la 0,79 pentru intervalul (5-50) kGy.

Se poate concluziona că structura triplu-helix a colagenului a suferit o deteriorare pentru doze mai mari de 25 kGy, iar pentru doze mai mici de 10 kGy, caracteristice sunt reacțiile de reticulare.

Caracterizarea rețelei hidrogelului

Valorile experimentale pentru masa moleculară dintre două puncte de reticulare (), densitatea de reticulare (), dimensiunea ochiurilor rețelei (ξ) și , , sunt prezentate în tabelul 5.4 și au fost determinate cu ecuațiile (3.20, 3.37, 3.13, 4.1 și 4.2). Valoarea a fost considerată .

Densitățile hidrogelului în stare uscată și gonflată au fost determinate cu un kit pentru determinarea densității pentru balanțe analitice (Mettler Toledo), în apă deionizată, la temperatură constantă (25°C).

Densitatea de reticulare este un parametru care descrie în general caracteristicile gelului și care a crescut cu doza absorbită fiind cuprinsă în intervalul . Parametrii și ξ au fost cuprinși în intervalul respectiv 75134 nm și au scăzut cu doza absorbită.

Acest fenomen poate fi atribuit ușurinței cu care moleculele de apă pot difuza în rețeaua hidrogelului. Așa cum se poate vedea în tabelul 5.4, parametrul crește cu doza de iradiere, ducând la o densitate mai mare a rețelei de hidrogel împiedicând difuzia apei.

Tabelul 5.4. Parametrii de rețea obținuți pentru hidrogelul de colagen-PVP prin reticulare

cu radiații γ

Așa cum este sugerat și în alte studii anterioare [160], dimensiunea distanței dintre două puncte de reticulare () la doze crescute de radiație și la debite de doză de 1 kGy/h este afectată de scindarea parțială a lanțului principal de colagen-PVP.

Scăderea dimensiunii ochiului de rețea în funcție de doza de radiație se datorează reducerii spațiului disponibil dintre lanțurile macromoleculare ale hidrogelului, fiind un factor important care asigură rezistența mecanică, degradabilitatea și difuzivitatea moleculelor de apă în rețeaua hidrogelului.

Studiile anterioare au arătat că cele mai multe hidrogeluri utilizate în aplicațiile biomedicale au dimensiuni ale ochiurilor de rețea cuprinse între 5 și 100 nm în stare gonflată [16]. Dimensiunile ochiurilor de rețea obținute în acest studiu (75-134 nm) sunt comparabile cu diametrul moleculelor de proteine [161]. Având în vedere acest lucru, este posibilă difuzia de biomacromolecule în și din rețeaua hidrogelurilor de colagen-PVP, precum și a unor medicamente cu masă moleculară mai mică și sau alți compuși farmaceutici.

Concluzii

S-a obținut un hidrogel de colagen-PVP prin iradiere cu radiații γ în absența oxigenului și fără utilizarea agenților chimici de reticulare;

Hidrogelul obținut prezintă capacitate superabsorbantă, cu o valoare de gonflare de până la 2000% și o fracție de gel ridicată, peste 90%;

Analiza sol-gel arată că procesul de reticulare predomină în schimbul procesului de degradare, indiferent de doza absorbită;

Masa moleculară dintre două puncte de reticulare succesive () și valoarea corespunzătoare dimensiunii ochiurilor de rețea (ξ) scade în funcție de doza absorbită. În orice caz, chiar și la cea mai mare doză de iradiere folosită, dimensiunea ochiurilor de rețea este suficient de mare pentru a permite utilizarea acestui tip de hidrogel pentru unele aplicații de eliberare controlată a medicamentelor. Scăderea dimensiunii ochiurilor de rețea este o consecință directă a creșterii densității de reticulare cu creșterea dozei absorbite;

Randamentul de reticulare și de degradare scade cu doza absorbită, dar fenomenele de reticulare predomină în schimbul celor de degradare;

Gradul de gonflare scade cu creșterea densității de reticulare.

Faptul că modulul de elasticitate este mai mare decât modulul de viscozitate confirmă că sistemul de colagen – PVP este reticulat prin iradiere și nu este degradat. Scăderea modulului de elasticitate la doze de radiație mai mari de 25 kGy este asociată cu scindarea lanțurilor macromoleculare; prin urmare doze de iradiere mari pot fi dăunătoare proprietăților elastice ale hidrogelurilor;

Scăderea exponentului de difuzie odată cu doza absorbită este corelată direct cu creșterea densității de reticulare deoarece rămâne mai puțin spațiu disponibil în matricea hidrogelului. Ca o consecință, mai puțină apa va putea fi acomodată în structura unui hidrogel puternic iradiat;

Analiza FTIR arată că structura triplu-helix a moleculei colagen este conservată chiar și la doză mare de iradiere;

Pentru acest studiu a fost propus un mecanism de reacție privind reticularea colagenului și PVP prin iradiere cu radiații γ. Acesta descrie mecanismul de formare al principalilor macroradicali rezultați după iradierea amestecului de colagen-PVP în stare apoasă și formarea unei rețele reticulate prin reacții de recombinare specifice radicalilor liberi.

HIDROGELURI SUPERABSORBANTE DE COLAGEN ȘI PVP (C-PVP) OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU FASCICULE DE ELECTRONI ACCELERAȚI ÎN ABSENȚA AERULUI

S-au obținut hidrogeluri cu proprietăți superabsorbante pe bază de colagen și PVP prin procesare cu fascicule de electroni accelerați (EA) în absența aerului, cu și fără adiție de agenți chimici de reticulare solubili în medii apoase. Scopul studiului a fost obținerea unui hidrogel care să fie baza unui pansament pentru vindecarea rapidă a rănilor.

Prepararea hidrogelurilor

S-au preparat soluții de colagen și PVP prin varierea concentrației de PVP și a raportului masic colagen/PVP. La soluțiile obținute s-au adăugat acid acrilic (AA) ca agent chimic și N,N-metilenbis(acrilamidă) (NMBA), ca inițiator.

Soluțiile de PVP cu concentrația de 5% și 10% s-au preparat în apă deionizată prin agitare magnetică la temperatură constantă (80°C) până la dizolvarea completă, ulterior au fost răcite prin menținerea la temperatura camerei (10-12) ore.

Soluțiile colagen/PVP de raport volumic stabilit s-au obținut prin amestecarea soluției de colagen (1%) cu soluțiile de PVP (5% și 10%), la temperatura camerei. Pentru inițierea reacției de reticulare s-au adăugat 18,7%, 10,7% și 5,2% AA și 2%, 1% și 0,5% NMBA. După solubilizare, soluțiile de colagen/PVP preparate în prezență de agenți chimici de reticulare au fost tratate cu NaOH până la pH neutru.

Tabelul 6.1. Compoziția hidrogelurilor de colagen/PVP cu și fără agenți de reticulare

Înainte de iradierea cu fascicule de EA, amestecurile polimerice au fost centrifugate (500 rotații/min, timp de 5 minute) și degazate prin ultrasonare. După degazare probele au fost vidate prin introducerea în niște dispozitive speciale și iradiate cu un accelerator liniar de electroni (ALID 7) cu energia medie a electronilor de 6 MeV. Iradierea a fost efectuată în regim static (fără baleierea fascicului de EA) la un curent mediu de fascicul de 10 μA, durata impulsului de EA 3,75 μs și o frecvență de repetiție a impulsurilor electroni de 53 Hz.

Dozele de iradiere aplicate probelor au fost cuprinse în intervalul (5-40) kGy și debitul mediu al dozei de iradiere a fost de 1,88 kGy/min. Dozimetria fascicului de EA a fost realizată prin utilizarea unui calorimetru de grafit [162].

Hidrogeluri de colagen/PVP preparate fără adiție de agenți chimici de reticulare

Analiza sol-gel

Variația fracției de gel (G%) în funcție de doza absorbită pentru hidrogelurile de C-PVP fără adăugare de agenți de reticulare este prezentată în figura 6.1. Se observă că gelifierea (reticularea) sistemului polimeric depinde de conținutul de colagen. S-a constatat că pentru hidrogelurile de colagen 0,5%-PVP 2,5% (2_C-PVP) este necesară o doză mai mare de 4,15 kGy, iar pentru hidrogelurile colagen 0,7% și 0,3% respectiv PVP 1,5% și 3,5% (1_C-PVP și 3_C-PVP) au necesitat doze mai mici de 3,9 kGy.

Figura 6.1. (a) Variația fracției de gel cu doza absorbită; b) Analiza sol-gel corespunzătoare ecuației Charlesby-Pinner (3.19);

Pentru sistemul 2_C-PVP, fracția de gel (G%) crește cu doza absorbită până la aproximativ 10 kGy și de asemenea crește cu concentrația de PVP. Se observă că la doza maximă de iradiere (40 kGy), G(%) este de 96%.

Gradul de reticulare se poate urmări prin determinarea raportului (degradare vs. reticulare) conform ecuației ), care cuantifică relația dintre procesele de degradare și reticulare radio-induse [163].

Din tabelul 6.2, se observă că pentru hidrogelurile preparate cu colagen 0,3% acest raport are valoarea de 0,09, iar când concentrația de colagen este (0,5-0,7) %, valoarea este 0,16-0,19, ceea ce sugerează conform datelor din literatură că procesele de reticulare sunt predominante.

Tabelul 6.2. Analiza sol-gel hidrogeluri C-PVP fără adiție de agenți de reticulare

Randamentele radiochimice de reticulare G(X) și degradare G(S)

și au fost determinați utilizând valorile obținute pentru masa moleculară dintre două puncte de reticulare () determinată din experimentele de reologie, conform ecuației (3.36) . Se observă că pentru toate cele 3 hidrogeluri, valorile randamentelor radio-chimice calculate sunt maxime pentru doza minimă de iradiere (5 kGy) și minime la doza maximă (40 kGy). Același comportament se observă și în cazul randamentelor de degradare, dar valorile acestora sunt mult mai mici față de cele corespunzătoare procesului de reticulare.

Atât randamentul de reticulare, cât și randamentul de degradare depind de compoziția hidrogelului. Se observă că randamentele de reticulare în cazul hidrogelurilor obținute prin iradiere cu fascicule de EA sunt mai mari decât cele obținute în cazul iradierii cu radiații γ (vezi capitolul 5) și scad cu doza de iradiere [164].

Tabelul 6.3. Randamentele radio-chimice de reticulare și degradare calculate pentru hidrogelurile de C-PVP preparate fără agenți de reticulare

Gradul de gonflare

În figura 6.2, se prezintă gradul de gonflare a hidrogelurilor de C-PVP preparate fără adăugare de agent de reticulare. Din figură se observă că gradul de gonflare pentru hidrogelurile 1_C-PVP și 2_C-PVP este maxim la doza de iradiere de 5 kGy și minim la doza de 40 kGy, iar pentru hidrogelul 3_C-PVP, maximul este la 40 kGy și minimul la 5 kGy.

Figura 6.2. Gradul de gonflare (GG%) în funcție de timpul de imersie și doza absorbită – în apă deionizată

În concluzie pentru hidrogelurile 1_C-PVP și 2_C-PVP, gradul de gonflare scade cu creșterea dozei, iar pentru hidrogelul 3_C-PVP (cea mai mare concentrație de PVP), gradul de gonflare crește cu creșterea dozei.

Analiza reologică

Pentru determinarea regiunii viscoelestice liniare s-au efectuat teste de deformare preliminare (eng.strain sweep) la o rată de deformare cuprinsă între (0,1 – 10) % (figura 6.3).

Figura 6.3. Testele de deformare pentru hidrogelurile C – PVP

În figura 6.4 se prezintă evoluția modulului de elasticitate (G) în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită.

Modulii de elasticitate () și modulii de viscozitate () pun în evidență stabilitatea și caracterul viscoelastic al hidrogelurilor în regiunea liniar-viscoelastică și sunt influențați de doza de iradiere. De remarcat este că evaluarea acestor moduli este obligatorie în cazul hidrogelurilor cu aplicații în realizarea unor pansamente, deoarece aceste materiale nu numai stochează energie elastică atunci când se aplică o forță exterioară ci și disipează energie asemenea unui fluid vâscos.

Răspunsul liniar al modulului de elasticitate (în funcție de viteza unghiulară (ω) până la o anumită limită a forței aplicate arată că rețeaua macromoleculară nou formată prin reticulare se opune forței externe și menține echilibrul.

În mod contrar, atunci când forța crește la un anumit nivel, legăturile chimice din rețeaua hidrogelului, fie se rup, fie încep să se deformeze, hidrogelul își pierde elasticitatea și devine vâscos. Când viscozitatea predomină, modulul vâscos () ar trebui să fie mai mare decât modulul de elasticitate () [165]. Se observă că pentru toate hidrogelurile studiate în intervalul de frecvență unghiulară (0,1 – 10) rad/s, valorile sunt mai mari decât valorile , ceea ce înseamnă că hidrogelul este elastic, proprietate specifică solidelor elastice [166], ceea ce pune în evidență că hidrogelurile obținute prin iradiere cu EA, prezintă o rețea permanentă datorată legăturilor formate prin reticulare [167-170].

Figura 6.4. Variația lui G în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită;

Figura 6.5. Variația lui G” în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită

Din figurile 6.4, 6.5 și tabelul 6.4, se pot vedea dependențele modulilor (G) și () în raport cu doza de iradiere, punând în evidență creșteri și scăderi pe domenii restrânse, fără posibilitatea unei concluzii pe întreg domeniu de doze de iradiere (5-40) kGy.

Creșterea sau scăderea lui G cu doza absorbită pune în evidență predominanța reticulării sau a degradării rețelei macromoleculare a hidrogelului [171].

Determinarea densității de reticulare ()

Densitatea de reticulare (), este un parametru care descrie numărul de puncte de reticulare formate între diferite lanțuri polimerice (reticulare intermoleculară) sau în interiorul aceluiași lanț polimeric (reticulare intramoleculară) [103]. În cazul reticulării prin iradiere, densitatea de reticulare depinde de doza absorbită. Acest parametru conform ecuațiilor (3.36, 3.37 și 3.13) se exprimă în funcție de masa moleculară dintre două puncte de reticulare succesive () și dimensiunea ochiului rețelei de hidrogel (ξ), valori prezentate în coloanele (3-5) din tabelul 6.4.

Tabelul 6.4. Valori experimentale pentru G, G, MC, Ve și ξ

Mărimea parametrilor și ξ determină structura hidrogelului și pun în evidență o densitate de reticulare mai mică sau mai mare a hidrogelului.

Fiecare compoziție de hidrogel a relevat un comportament independent în funcție de doza absorbită. Pentru toate cele 3 hidrogeluri doza optimă de iradiere pentru reticulare este situată în intervalul (10 – 25) kGy, peste acest interval, valorile și ξ sugerează existența proceselor de degradare. Definițiile lui și ξ și , sugerează corelații între gradul de reticulare și structura hidrogelului format prin iradiere, în sensul că un G mic, înseamnă un și ξ mari și , mic.

Analiza FTIR

Spectrele FTIR ale hidrogelurilor sunt prezentate în figurile 6.6, 6.7 și 6,8 și sunt interpretate în raport cu spectrele colagenului și PVP (capitolul 5).

Figura 6.6. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile 1_C-PVP

Pentru hidrogelul 1_C-PVP neiradiat:

(3700 – 2700) cm-1, bandă largă de absorbție;

3314 cm-1 bandă caracteristică amidei A și vibrației de întindere O-H caracteristică legăturilor de H intermoleculare;

3080 cm-1 bandă caracteristică amidei amidă B;

2921 cm-1 bandă specifică vibrațiilor de întindere pentru legăturile de C-H;

picurile identificate la 1645 cm-1 (amida I), 1550 cm-1 (amida II) și 1235 cm-1 (amida III) au fost atribuite moleculei de colagen;

picurile identificate la 1423 cm-1 și 1288 cm-1 sunt specifice moleculei de PVP (capitolul 5).

Pentru hidrogelul 1_C-PVP iradiat cu 5 kGy:

(3700 – 2700) cm-1, bandă largă de absorbție;

3300 cm-1 bandă caracteristică amidei A (N-H) și O-H datorată legăturilor de H intermoleculare provenite din aceste grupări;

3071 cm-1 bandă caracteristică amidei B;

picurile de absorbție au fost deplasate către numere de undă mai mici (benzile specifice pentru amida A și B);

2850 cm-1, 2922 cm-1 2956 cm-1 benzi specifice vibrațiilor de întindere pentru legăturile de C-H și CH2.

1640 cm-1 (amida I) păstrează intensitatea, dar s-a deplasat spre numere de undă mai mici;

1545 cm-1 bandă specifică pentru amida II, crește intesitatea după iradierea cu 5 kGy;

1440 cm-1 bandă specifică vibrației de deformare legăturilor CH2 din inelul pirolidinic

1289 cm-1 bandă specifică vibrației de întindere a legăturilor Califatic–N, crește intensitatea;

1234 cm-1 (amida III, vibrația de întindere caracteristică legăturii Caromatic–N), crește intensitatea.

Pentru hidrogelul 1_C-PVP iradiat cu 25 kGy:

intensitatea benzilor cuprinse între (3700 – 2700) cm-1 a crescut;

picurile de absorbție au fost deplasate către numere de undă mai mici (benzile specifice pentru amida A și B);

1234 cm-1 scade intensitatea;

Pentru hidrogelul 1_C-PVP iradiat cu 40 kGy:

2852 cm-1, pic nou atribuit legăturilor de C-H;

intensitatea benzii specifice amidei B a scăzut cu un ordin de mărime (această modificare ar putea fi asociată cu pierderea integrității structurale a colagenului);

(1700-600) cm-1 picurile caracteristice au fost păstrate;

1235 cm-1 și 1550 cm-1 scade intensitatea;

1059 cm-1 formarea de grupări OH care provin de la un alcool primar, probabil ca urmare a fenomenelor oxidative după expunerea hidrogelului la doze ridicate de radiație [169].

Figura 6.7. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile 2_C-PVP

Pentru hidrogelul 2_C-PVP neiradiat:

3337 cm-1, νN-H și νO-H (legături de hidrogen intermoleculare);

3086 cm-1, bandă caracteristică amidei B (νN-H);

2923 cm-1, bandă specifică νCH2

1644 cm-1, amida I (δN-H)

1550 cm-1, amida II;

1283 cm-1 bandă specifică vibrației de întindere a legăturilor Califatic-N

1083 cm-1 bandă specifică νC-OH caracteristică alcoolilor primari.

Pentru hidrogelul 2_C-PVP iradiat cu 5 kGy:

3337 cm-1 s-a deplasat la 3316 cm-1;

3086 cm-1 s-a deplasat la 3076 cm-1, probabil asocierii grupărilor acceptoare de protoni (C=O) cu grupări N-H, donore de protoni, formându-se legături de H;

2846 cm-1, pic nou atribuit legăturii C-H.

Pentru hidrogelul 2_C-PVP iradiat cu 25 kGy:

3308 cm-1, deplasare spre numere de undă mai mici;

2920 cm-1 și 2847 cm-1, picuri atribuite grupărilor CH2, a căror intensitate a crescut în raport cu hidrogelurile preparate cu doze mai mici;

1550 cm-1 scade intensitatea;

1740 cm-1, pic nou atribuit grupărilor C=O.

Pentru hidrogelul 2_C-PVP iradiat cu 40 kGy:

3337 cm-1 s-a deplasat la 3300 cm-1;

2854 cm-1 creșterea intensității;

1553 cm-1, scade intensitatea;

1741 cm-1, pic nou atribuit vibrației de întindere specifică legăturilor , caracteristice cetonelor ciclice, consecință a scindării lanțurilor macromoleculare formate între colagen și PVP atunci când hidrogelul este expus la doze mari.

Figura 6.8. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile 3_C-PVP

Pentru hidrogelul 3_C-PVP neiradiat:

3373 cm-1 bandă largă de absorbție care a fost atribuită legăturilor N-H și O-H

2951 cm-1, specifică vibrației de întindere a grupărilor CH3

1645 cm-1, amida II

1423 cm-1 bandă specifică vibrației de deformare legăturilor CH2 din inelul pirolidinic.

Pentru hidrogelul 3_C-PVP iradiat cu 5 kGy:

3320 cm-1 și 2917 cm-1 a crescut intensitatea și s-au deplasat spre numere de undă mai mici;

1551 cm-1 a crescut intensitatea;

Pentru hidrogelul 3_C-PVP iradiat cu 10 kGy:

3316 cm-1 a crescut intensitatea de aproximativ două ori prin comparație cu proba iradiată cu 5 kGy;

2951 cm-1 bandă specifică vibrației de întindere a grupărilor CH3 pentru care a crescut intensitatea;

1551 cm-1 a crescut intensitatea.

Pentru hidrogelul 3_C-PVP iradiat cu 25 kGy:

3401 cm-1 a crescut intensitatea și s-a deplasat spre numere de undă mai mari;

1547 cm-1 scade intensitatea.

Pentru hidrogelul 3_C-PVP iradiat cu 40 kGy:

(3700-2700) cm-1 creșterea intensității benzilor;

1738 cm-1, pic nou atribuit grupărilor C=O;

1550 cm-1 scade intensitatea

În spectrele FTIR creșterea intensității benzilor se datorează introducerii unor noi grupări funcționale, în principal datorate formării de noi legăturii de H specifice grupărilor OH, precum și datorită vibrațiilor de întindere a grupelor funcționale C-H, CH2 și CH3, caracteristice moleculelor aromatice.

Hidrogeluri de colagen/PVP preparate cu agenți chimici de reticulare

Adaosul de AA și NMBA, a avut drept scop creșterea randamentului reacției de reticulare.

Analiza sol-gel

În figura 6.9 sunt prezentate fracția de gel în funcție de doza absorbită și analiza sol-gel corespunzătoare ecuației Charlesby-Pinner (3.19).

Figura 6.9. (a) Fracția de gel în funcție de doza absorbită; (b) Analiza sol-gel corespunzătoare ecuației Charlesby-Pinner

Se observă că tranziția sol-gel a soluției polimerice iradiate are loc la doze de iradiere mai mici de 5 kGy și care depinde de compoziția soluției polimerice. Pentru hidrogelurile preparate în prezență de 0,5% NMBA, doza de gelifiere a scăzut semnificativ, la doze mai mici de 2 kGy (tabelul 6.5).

Tabelul 6.5. Analiza sol-gel hidrogeluri C-PVP cu adiție de agenți de reticulare

Pentru amestecurile polimerice preparate cu (0,3 – 0,5) % colagen și (5 – 7) % PVP, procentul fracției de gel a avut valori mai mari de 60%, obținute chiar și la doza minimă de iradiere (5 kGy).

Fracția de gel pentru sistemul 1_C-PVP_NMBA 2% nu a crescut semnificativ peste doza 12,5 kGy, necesitând doze de iradiere mai mari pentru a obține o valoare a fracției de gel, peste 80%. În cazul sistemului 2_C-PVP_NMBA 1%, procentul fracției de gel (G%) a scăzut drastic la doze mai mari de 12,5 kGy.

Pentru sistemul în care concentrația de PVP a fost crescută la 7%, iar concentrațiile de AA și NMBA au fost reduse la 5,2 %, respectiv 0,5%, s-a observat o creștere semnificativă a fracției de gel în raport cu doza absorbită, peste 75% la 5 kGy. Pentru aceste sisteme, rapoartele au avut valori cuprinse între 0,32 și 0,51.

Pentru hidrogelurile preparate cu 0,5% colagen și 5% PVP, raportul a avut valoarea 0,79. În studiul anterior prezentat în capitolul 5, raportul = 0,14 [164]. Pentru amestecurile polimerice care prezintă fracție insolubilă după reticularea cu radiații ionizante, de regulă raportul are valoare mai mică decât 2, ceea ce indică că procesele de reticulare au predominat [163].

Pentru hidrogelurile C-PVP preparate cu (1-2)% agent de reticulare, deși valorile raportului au fost 0,79, respectiv 0,51, valorile determinate pentru randamentele radio-chimice, și , prezentate în tabelul 6.5, au arătat mai degrabă prezența proceselor de degradare.

Din evaluarea datelor obținute, este evident faptul că adăugarea unei concentrații crescute de agent de reticulare a influențat procesul de reticulare al hidrogelurilor de C-PVP, valorile rapoartelor au fost considerabil mai mari comparativ cu valorile determinate pentru hidrogelurile preparate fără NMBA.

Cu cât concentrația agentului de reticulare este mai mare și este mai mare, ceea ce semnifică că atât concentrația polimerilor, dar și concentrația agentului de reticulare trebuie atent controlate, astfel încât reacția de reticulare să se producă în condiții optime.

Un comportament similar a fost observat și în cazul unor hidrogeluri obținute din chitosan, PVP și acid lactic prin reticulare cu radiații γ [163]. Pentru hidrogelul notat cu 3_C-PVP_NMBA 0,5% s-a obținut cea mai mare fracție de gel, peste 87,2% la doza de iradiere de 7,5 kGy. La doze de iradiere de 40 kGy a scăzut ușor până la 82%. Valorile negative determinate pentru doza virtuală de iradiere () au fost atribuite distribuției masei moleculare care nu respectă o distribuție Gaussiană, așa cum ar fi ideal.

Randamentele de reticulare și degradare

În tabelul 6.6 sunt prezentate valorile randamentelor radio-chimice obținute pentru hidrogelurile preparate cu adăugare de agent de reticulare. Cea mai mare valoare a parametrului a fost determinată pentru hidrogelul 1_C-PVP NMBA 2%. Așa cum se observă din tabel pentru hidrogelurile preparate cu (1-2)% agent de reticulare, valorile lui și au fost comparabile, sau . Dacă randamentul radio-chimic de degradare este mai mare decât cel de reticulare se presupune că procesele de degradare predomină.

Tabelul 6.6. Randamentele radio-chimice de reticulare și degradare calculate pentru hidrogelurile de C-PVP preparate cu adiție de agenți de reticulare

Pentru hidrogelurile preparate cu concentrație redusă de agent de reticulare (3_C-PVP_NMBA 0,5 %), procesele de reticulare au predominat în comparație cu procesele de degradare, cea mai mare valoare a parametrului fiind determinată pentru hidrogelul preparat la doza de 7,5 kGy. În intervalul (10-25) kGy, randamentele radio-chimice de reticulare au rămas aproape constante, dar la doza de 40 kGy, au scăzut.

În studii anterioare, cu privire la procesarea cu radiații γ a polimerilor naturali în stare solidă, s-a demonstrat că debitul dozei de radiație, cât și concentrația polimerilor sunt parametrii critici care influențează rezultatul final al procesului de iradiere [170, 172].

Condițiile de iradiere influențează rezultatul procesului de iradiere, prin urmare debite de doză scăzute vor conduce la creșterea proceselor oxidative care produc în același timp degradarea macromoleculelor de polimer în timpul iradierii.

Gradul de gonflare

Pentru hidrogelurile preparate cu (1-2)% NMBA, nu s-a observat o dependență a gradului de gonflare în funcție de doza absorbită (figura 6.10).

Figura 6.10. Gradul de gonflare în funcție de timpul de imersie și doza abosorbită în apă deionizată pentru hidrogelurile preparate cu (1 – 2)% NMBA

În figura 6.11(a) se prezintă gradul de gonflare a hidrogelului de C-PVP reticulat cu EA în prezență de 0,5% NMBA. În acest caz, s-a observat o creștere mare a gradului de gonflare pînă la

11 000%, datorită scăderii concentrației de agent de reticulare.

Pe de altă parte, pentru hidrogelurile preparate cu 0,5% NMBA, a fost observată o dependență a gradului de gonflare în funcție de doza absorbită. La doza de 40 kGy, gradul de gonflare a scăzut considerabil, până la 4 000%.

În figura 6.11(b) se prezintă gradul de gonflare al hidrogelurilor în soluție tampon fosfat (PBS, 37°C, pH = 7,4) în funcție de doza absorbită. Pentru a înțelege mai bine procesul de gonflare, datele experimentale au fost fitate conform ecuației exponențiale: y = y0 + A1* (1-exp (-x / t1)) + A2*(1-exp)(-x/t2)), reprezentate în cu linii punctate. Coeficientul minim de corelație (R2) a fost 0,9833.

Figura 6.11. Gradul de gonflare la echilibru în funcție de timpul de imersie și doza abosorbită în apă deionizată (a) și în PBS (37oC, pH=7,4) pentru hidrogelurile preparate cu 0,5% NMBA

Hidrogelul a prezentat stabilitate timp de 48 de ore în soluție de PBS, dar puterea totală de gonflare a fost redusă până la 2 500%. În acest caz, GG (%) a scăzut în funcție de doza aplicată, la 5 kGy, 10 kGy, 25 – 40 kGy datorită creșterii punctelor de reticulare în rețeaua hidrogelului. Același comportament a fost identificat și atunci când parametrii de rețea au fost investigați, mai exact a scăzut, iar densitatea de reticulare a crescut. Când soluția de C-PVP a fost iradiată la 12,5 kGy, GG (%) și au crescut. În intervalul (10 – 12,5) kGy, proprietățile hidrogelului au fost similare.

Valorile modulilor elastici () au fost de asemenea similare (2800 Pa la 10 kGy și 2500 Pa la 12,5 kGy). Reducerea modulului poate fi consecința unei puteri de absorbție mai ridicate, dacă doza absorbită a crescut de două ori, caracterul elastic al hidrogelurilor a crescut corespunzător.

Scăderea semnificativă a capacității de gonflare a hidrogelurilor în soluția de PBS comparativ cu valorile determinate în apă deionizată se datorează presiunii osmotice cauzate de distribuția inegală a ionilor în mediu și în rețeaua hidrogelului. Ionii atașați de lanțul macromolecular al polimerilor rămân blocați în interiorul rețelei de hidrogel. Atunci când gonflarea are loc în apă pură, se dezvoltă presiune osmotică maximă și se obțin valori maxime de gonflare [173].

Analiza reologică

În figurile 6.12, 6.13 și 6.14 se prezintă testele de deformare preliminare și comportamentul reologic al hidrogelurilor preparate cu diferite concentrații de NMBA. Valorile modulilor de elasticitate și viscozitate depind de concentrația de NMBA, de compoziția hidrogelurilor, precum și de doza absorbită.

Figura 6.12. Testele de deformare pentru hidrogelurile preparate cu agenți de reticulare

Hidrogelurile preparate cu 2% NMBA prezintă proprietăți reologice mai bune (12 000 Pa la 12,5 kGy), dar experimentele de gonflare au arătat obținerea unui hidrogel mai slab din punct de vedere al stabilității timp de 48 h într-un mediu de gonflare. După aproximativ 8 ore, aceste hidrogeluri au prezentat fenomene avansate de degradare în mediul de gonflare folosit pentru investigații (figura 6.10).

De regulă, cu creșterea concentrației polimerilor și a agentului de reticulare, fenomenul suprapunerii lanțurilor crește, ceea ce favorizează procesele de reticulare. Pentru astfel de sisteme, o viscozitate mai mare scade mobilitatea lanțurilor polimerice, reducând posibilitatea ca macroradicalii să reacționeze unul cu celălalt pentru a forma legături chimice [174].

Având în vedere datele obținute din analiza sol-gel, gradul de gonflare și din experimentele de reologie, hidrogelul notat cu 3_C-PVP_0,5% NMBA prezintă cele mai bune proprietăți. Prin evaluarea proprietăților reologice ale hidrogelurilor preparare cu 0,5% NMBA, s-a observat că acestea prezintă un comportament elastic (G) bine definit și care depinde de doza absorbită (figura 6.13).

Valorile modulului de elasticitate (G) au variat între (1800-8400) Pa, iar cele mai bune proprietăți de gonflare în PBS la 37°C s-au obținut pentru acele hidrogeluri reticulate cu doze pornind de la 7,5 până la 12,5 kGy.

În concluzie, prin această metodă de reticulare cu fascicule de EA se pot obține hidrogeluri superabsorbante cu proprietăți diferite care pot fi reglate și din parametrii de iradiere.

Ținând seama de elasticitatea hidrogelurilor preparate, se poate preconiza utilizarea acestora în domeniul medical. Modulul de elasticitate al hidrogelurilor de C-PVP se potrivește cu cel al pielii umane și al țesutului moale, fiind relevante pentru aplicarea cu succes a acestui material ca pansament pentru plăgi sau în ingineria tisulară a țesuturilor moi (modulul elastic al pielii umane variază între (500-1000) Pa [175], iar cel al altor țesuturi, cum ar fi: creier, ficat, țesut adipos, mușchi relaxat sau țesut mamar variază de la (1000 – 10 000) Pa) [176, 177].

Figura 6.13. Variația lui G în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită

Sistemul de colagen și PVP neiradiat prezintă un modul de elasticitate foarte scăzut, cuprins în intervalul (4 – 25) Pa în funcție de concentrația de polimer și doza de radiație. Unele studii au raportat obținerea de hidrogeluri pe bază de PVP produse prin iradiere UV sau prin reticulare EA pentru care G a avut valori cuprinse între 1000 Pa și 3000 Pa [169].

Alte studii au raportat obținerea de hidrogeluri prin iradierea UV a unor soluții apoase cu concentrații mari de PVP pentru care cea mai mare valoare a parametrului G nu a depășit 140 Pa [178]. Făcând o comparație cu rezultatele prezentate în capitolul 5, referitoare la sinteza hidrogelurilor de C-PVP prin reticulare cu radiații γ și fără adăugarea de agenți chimici de reticulare, valoarea maximă a modulului de elasticitate a fost 88 Pa pentru doza absorbită de 25 kGy [164].

În concluzie, fabricarea hidrogelurilor de C-PVP stabile și cu proprietăți elastice constante (G = 1800 – 8000 Pa), capabile să absoarbă o cantitate mare de fluide apoase, similare cu lichidele fiziologice, pot fi realizate prin reticularea cu EA în absența oxigenului și prin adăugarea unei cantități reduse de agenți de reticulare solubili în apă.

Figura 6.14. Variația lui G” în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită

Densitatea de reticulare

În tabelul 6.7 se prezintă valorile determinate pentru modulul de elasticitate (G), modulul de viscozitate (G), masa moleculară dintre două puncte de reticulare succesive (), densitatea de reticulare () și dimensiunea corespunzătoare ochiurilor de rețea (ξ) pentru hidrogelurile de C-PVP preparate cu adiție NMBA.

Tabelul 6.7. Valori experimentale pentru G, G, , și ξ

Parametrii de rețea investigați pentru hidrogelurile obținute în prezența de NMBA au prezentat valori ale reduse, corelate cu valori mari ale modulilor de elasticiate (G). Hidrogelurile preparate prin adăugarea a 2% NMBA, au arătat o scădere a parametrilor și ξ până la 12,5 kGy, iar a crescut cu doza de iradiere.

Dacă concentrația de NMBA este scăzută, amestecurile polimerice pe bază de apă formate din colagen și PVP pot fi reticulate prin iradiere cu fascicule de EA cu doze moderate de radiații, aproape de doza legal acceptată pentru sterilizare (25 kGy), astfel încât să se obțină hidrogeluri cu cele mai bune proprietăți de gonflare și proprietăți reologice optime. Pe măsură ce crește numărul de puncte de reticulare, crește și valoarea modulilor de elasticitate (G), iar valorile parametrilor și ξ scad, ceea ce indică formarea unui hidrogel cu structură densă.

Pentru a produce un hidrogel superabsorbant pe bază de colagen și PVP cu stabilitate demonstrată în PBS la 37°C timp de cel puțin 48 de ore și un grad de gonflare de peste 2 000% (PBS și 37oC), masa moleculară medie dintre două puncte de reticulare () trebuie să fie cuprinsă între 60 și 66 kg·mol-1, iar mărimea ochiului de rețea (ξ) între (53 – 54) nm. Parametrii menționați mai sus au fost determinați pe baza valorilor experimentale ale modulului de elasticiate (G), (2500 –2800) Pa.

Rezultatele prezentate indică faptul că parametrii de rețea ai hidrogelului 3_C-PVP_NMBA 0,5% pot fi controlați prin varierea dozei de iradiere, ceea ce nu se observă pentru hidrogelurile preparate cu (1 – 2)% NMBA.

Analiza FTIR

Spectrele FTIR ale hidrogelurilor preparate în prezență de NMBA sunt prezentate în figurile 6.15, 6.16 și 6.17 și sunt interpretate în raport cu cu spectrele FTIR ale colagenului, PVP (capitolul 5), acidului acrilic (AA) și N,N-metil-bis-acrilamidă (NMBA) în stare pură (figura 6.15).

Principalele picuri identificate pentru acidul acrilic sunt:

(3600-2400) cm-1 bandă largă cu maxime de absorbție la 2989 cm-1, 2887 cm-1 și 2660 cm-1 caracteristice vibrațiilor de întindere a grupărilor OH libere și legăturilor de H;

1697 cm-1 corespunde vibrației de deformare specifice grupării C-OH;

1635 cm-1 și 1615 cm-1, vibrația de întindere C=C;

1432 cm-1, vibrația de deformare pentru grupările CH2;

1184 cm-1 și 1238 cm-1 vibrația de întindere pentru gruparea C-O;

978 cm-1 și 816 cm-1, vibrația de deformare pentru gruparea OH.

Figura 6.15. Spectrele FTIR pentru acidul acrilic și N,N-metil-bis-acrilamida

Principalele picuri identificate pentru N,N-metil-bis-acrilamida sunt [179]:

3302 cm-1, vibrația de întindere simetrică caracteristică grupării N-H;

3066 cm-1, vibrația de întindere caracteristică grupării CH2;

1655 cm-1 și 1625 cm-1, vibrații de întindere caracteristice grupării C=O din amida I;

1540 cm-1, vibrația de deformare caracteristică grupării N-H din amida II;

1409 cm-1, vibrația de deformare caracteristică grupării CH2;

1304 cm-1, vibrația de întindere caracteristică grupării C-N;

Pentru hidrogelul 1_C-PVP NMBA 2% neiradiat:

benzi largi de absorbție în regiunea (3700-2700) cm-1, cu un maxim de absorbție la 3311-3315 cm-1, care au fost asociate cu vibrațiile de întindere specifice grupărilor funcționale OH provenite din moleculele de apă liberă și legată sau cele specifice grupărilor NH;

lărgirea benzilor de absorbție se datorează adăugării de AA și NMBA în compoziția hidrogelurilor, iar dacă concentrația lor a fost redusă, benzile caracteristice au devenit mai înguste și mai intense în regiunea 2900-2800 cm-1 ( și );

2934-2936 cm-1 vibrații de întindere specifice legăturilor CH2;

2853-2873 cm-1 corespund legăturilor CH;

1800-600 cm-1, picurile caracteristice corespunzătoare colagenului și PVP au fost identificate la: 1654 cm-1 și 1551 cm-1 (benzile amidă I și amidă II corespunzătoare moleculei de colagen și PVP);

1450 cm-1 și 1405 cm-1 vibrații de deformare a grupărilor din inelului pirolidinic;

1292 cm-1, vibrații de întindere a benzii de amidă III.

Figura 6.16. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile 1_C-PVP NMBA 2%

Pentru hidrogelul 1_C-PVP NMBA 2% iradiat cu doze de (5-40) kGy:

(3800-3000) cm-1 crește ușor intensitatea benzilor după iradierea cu doza de 12,5 kGy; deplasarea benzii situate la 3330 cm-1 la 3316 cm-1;

(3000-2800) cm-1 crește intensitatea benzilor după iradierea cu doza de 7,5 kGy, iar la doza de 40 kGy intensitatea a scăzut;

intensiatea benzii caracteristică amidei I (1650 cm-1) a crescut după iradierea cu 7,5 kGy

benzile identificate la 1550 cm-1/1450 cm-1/1405 cm-1/1290cm-1 nu au suferit deplasări și nici variații asupra intensității;

Pentru hidrogelul 2_C-PVP NMBA 1% neiradiat ():

banda largă caracteristică benzii de amidă A a fost identificată la 3335-3350 cm-1;

(2923-2926) cm-1 și 2854 cm-1, vibrații de întindere corespunzătoare legăturilor CH2 și CH;

1650 cm-1 ( amida I), 1548 cm-1 ( amida II);

1450 cm-1 și 1405 cm-1 (CH2 din inelul pirolidonic);

1285 cm-1 ( amida III).

Figura 6.17. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile de 2_C-PVP NMBA 1%

Pentru hidrogelul 2_C-PVP NMBA 1% iradiat cu doze de (5-40) kGy:

(3800-3000) cm-1 a crescut intensiatea benzilor după iradierea cu 10 kGy, respectiv 12,5 kGy și scade după iradiere cu 25 kGy și 40 kGy;

intensitatea benzilor atribuită grupărilor funcționale CH2 și CH a crescut semnificativ pentru hidrogelurile reticulate cu 12,5 kGy, 25 kGy și 40 kGy;

în intervalul 1800-600 cm-1, picurile caracteristice au fost păstrate, cu excepția hidrogelului iradiat doza de 40 kGy, cumulat cu scăderea intensității benzilor;

pentru hidrogelul reticulat cu doze mai mari de 25 kGy, s-a observat reducerea intensității benzii specifice amidei II și apariția unei noi benzi situate la 1720 cm-1, precum și deplasarea benzii de la 1287 cm-1 la 1292 cm-1.

Figura 6.18. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile de 3_C-PVP NMBA 0,5%

Pentru hidrogelul 3_C-PVP NMBA 0,5% neiradiat:

(3800-3000) cm-1 bandă largă cu maxim identificat la 3380 cm-1;

(3000-2700) cm-1 bandă intensă cu maxime la 2925 cm-1 și 2850 cm-1

1650 cm-1 ( amida I) și 1557 cm-1 ( amida II);

1440 cm-1 (CH2 din inelul pirolidonic);

1285 cm-1 ( amida III) și 1170 cm-1 (OH provenit de la un alcool terțiar);

Pentru hidrogelul 3_C-PVP NMBA 0,5% iradiat cu doze de (5-40) kGy:

intensitatea benzii specifice amidei II a fost păstrată când hidrogelul a fost reticulat cu 25 kGy;

banda de amidă I s-a deplasat la 1668 cm-1 (spre numere de undă mai mari), dar intensitatea corespunzătoare acestei benzi fost păstrată;

în regiunea 3700-2700 cm-1 intensitatea benzilor a scăzut, iar picul caracteristic a fost deplasat de la 3300 cm-1 la 3360 cm-1;

deplasarea picurilor spre numere de undă mai mari poate fi asociată cu scindarea lanțului rețelei de hidrogel dacă amestecul polimeric este expus la doze mai mari de 25 kGy.

Microscopie electronică de baleiaj (SEM)

În figura 6.19 se prezintă structura morfologică a hidrogelurilor de C-PVP preparate la doze de iradiere cuprinse între 5 kGy și 40 kGy și în prezență de agent de reticulare (0,5%). Înainte de achiziția imaginilor SEM, hidrogelurile cu masă constantă au fost gonflate în soluție tampon fosfat (PBS) la 37°C, după care au fost liofilizate.

Structura hidrogelurilor a variat în funcție de doza de iradiere, prezentând o formă mai compactă la doze mici de iradiere și structură macroporoasă la doze mari de iradiere. Cea mai compactă structură, dar moderat reticulată a fost observată pentru hidrogelurile obținute cu doze 5 kGy și 7,5 kGy. Cu creșterea dozei de iradiere, la 25 kGy și 40 kGy, structura hidrogelului are un aspect macroporos cu pori mari (circa 50 μm diametru).

La toate dozele de iradiere, la măriri foarte mari ale imaginii, au fost identificate formațiuni cristaline interconectate care aderă pe suprafața macroporoasă a hidrogelului. Aceste formațiuni cristaline provin din PBS care a fost folosit pentru gonflarea hidrogelurilor. Pentru hidrogelul reticulat cu doza de 10 kGy se distinge o structură poroasă bine definită cu pori interconectați de dimensiuni variabile.

Figura 6.19. Imaginile SEM pentru hidrogelurile de C-PVP reticulate cu doze de iradiere cuprinse între 5 kGy și 40 kGy

Concluzii

În acest studiu au fost obținute hidrogeluri superabsorbante pe bază de colagen și PVP utilizând ca metodă principală de obținere, iradierea cu fascicule de EA ca promotor principal al reacției de reticulare;

Hidrogelurile au fost produse atât în prezența, cât și în absența agenților de reticulare, cu scopul de a realiza o comparație între proprietățile acestor materiale;

Hidrogelurile preparate fără adăugare de NMBA, au indicat o contribuție neglijabilă a proceselor de degradare a lanțului polimeric în comparație cu acele hidrogeluri produse cu concentrații ridicate de NMBA;

Rețeaua reticulată a hidrogelurilor a prezentat o capacitate bună de gonflare, atât în apă deionizată, cât și în soluție tampon fosfat (PBS, 37°C, pH = 7,4);

Hidrogelurile preparate fără adăugare de NMBA, au atins cel mai mare grad de gonflare de aproximativ 3000%, la cea mai mică doză de iradiere;

Pentru toate hidrogelurile de colagen și PVP investigate, valorile lui G și G confirmă că reacțiile de reticulare au predominat în timpul iradierii cu fascicule de EA;

Gradul de gonflare, fracția de gel (G%) și modulul de elasticitate (G), arată că hidrogelurile obținute prin iradiere cu fascicule de EA sunt optime pentru hidrogelul 3_C-PVP preparat cu 0,5% NMBA și la dozele de iradiere 7,5 kGy, 10 kGy și 12,5 kGy;

Pentru hidrogelurile preparate cu concentrații ridicate de agent de reticulare, procesele de degradare a lanțului polimeric au fost predominante.

HIDROGELURI TRICOMPONENTE OBȚINUTE PRIN RETICULARE CU FASCICULE DE ELECTRONI ACCELERAȚI ÎN ATMOSFERĂ INERTĂ DE Ar

În acest capitol se prezintă obținerea de hidrogeluri superabsorbante tricomponente (colagen, PVP și polietilenoxid, PEO), atât din punct de vedere al preparării, cât și al caracterizării fizico-chimice.

S-au obținut hidrogeluri prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați (EA) în atmosferă inertă (Ar) plecând de la compoziția de hidrogel optimizată (capitolul 6).

Scopul studiului a fost obținerea unui hidrogel cu proprietăți elastice crescute și stabilitate prelungită în medii fiziologice.

Prepararea hidrogelurilor

Amestecul de colagen/PVP a fost obținut prin amestecarea soluțiilor de colagen (0,3%) și de PVP (7%) conform modului de lucru prezentat în capitolul 6 [180].

După omogenizarea completă a amestecului s-a adăugat 0,3% PEO, iar pentru inițierea reacției de reticulare s-au adăugat 2,8% AA și 0,5% NMBA. După solubilizare, soluțiile de colagen/PVP/PEO au fost neutralizate cu soluție de NaOH (0,5 M), apoi centrifugate (500 rotații/min, timp de 5 minute), degazate prin ultrasonare și saturate în Ar (30 minute) într-un dispozitiv special.

Dozele de iradiere aplicate probelor au fost cuprinse în intervalul (10 – 25) kGy și debitul mediu al dozei de iradiere a fost de 4 kGy/min. Dozimetria fascicului de EA a fost realizată cu calorimetre de grafit [162].

Tabelul 7.1. Compoziția hidrogelurilor cu și fără adăugare de PEO

În figurile 7.1 și 7.2 sunt prezentate imaginile cu hidrogelurile obținute cu și fără adăugare de PEO. Gelurile obținute fără adăugare de PEO, sunt mai transparente în comparație cu cele la care s-a adăugat PEO. Figura 7.3 pune în evidență elasticitatea bună și păstrarea formei pentru ambele tipuri de hidrogeluri, cu și fără PEO. Gelurile obținute fără adăugare de PEO, sunt mai transparente în comparație cu cele la care s-a adăugat PEO.

Figura 7.1. Hidrogel de colagen/PVP obținut în atmosferă inertă de Ar

Figura 7.2. Hidrogel de colagen/PVP și PEO obținut în atmosferă inertă de Ar

Figura 7.3. Aspectul hidrogelurilor cu și fără PEO după scoaterea din recipientele

în care au fost iradiate

Caracterizarea hidrogelurilor obținute în atmosferă inertă

Analiza sol-gel

În figura 7.4 este prezentată variația fracției de gel (G%) determinată pentru hidrogelurile de colagen/PVP cu și fără PEO în funcție de doza absorbită.

Figura 7.4. Variația fracției de gel cu doza absorbită

Se observă că:

pentru hidrogelul fără PEO, G(%) scade cu doza de iradiere, la doza maximă de iradiere de 25 kGy, scăderea este până la 77%;

pentru hidrogelul cu PEO, G(%) crește cu doza de iradiere, la doza maximă de iradiere de 25 kGy, creșterea este de 84%;

În figura 7.5 se prezintă analiza sol-gel corespunzătoare ecuației Charlesby-Rosiak ), iar în tabelul 7.2 se prezintă datele sol-gel obținute experimental pentru hidrogelurile GI și GI-0,3% PEO.

Figura 7.5. Analiza sol-gel corespunzătoare ecuației Charlesby-Rosiak )

Tabelul 7.2. Analiza sol-gel pentru hidrogelurile GI și GI-0,3% PEO

Din figura 7.5 și tabelui se observă:

adăugarea de PEO, scade doza minimă de gelifiere (Dg) la care se produce tranziția sol-gel și crește ușor raportul p0/q0 până la valoarea de 0,54.

pentru fiecare compoziție s-a obținut o fitare liniară bună (R2 = 0,97 – 0,98), iar valorile rapoartelor p0/q0 nu depășesc valoarea 2, ceea ce înseamnă că procesele de degradare în sistemele studiate sunt neglijabile.

Randamentele radiochimice de reticulare G(X) și degradare G(S)

În tabelul 7.3 se prezintă valorile randamentelor radiochimice de reticulare G(X) și degradare G(S) calculate conform ecuațiilor și 3.23).

Tabelul 7.3. Randamentele radio-chimice de reticulare și degradare

Din datele prezentate în tabelul 7.3 se obțin concluzii importante:

pentru hidrogelul fără PEO, atât cât și , cresc cu creșterea dozei;

comparativ cu hidrogelul fără PEO, dar preparat în absența aerului, G(X)-ul celui preparat în Ar, este de aproximativ 5 ori mai mare;

pentru hidrogelul cu PEO, atât cât și , nu prezintă dependență de doza de iradiere.

În literatura de specialitate [181], este semnalat că pentru materialele care prezintă un raport G(S):G(X) < 1, reacția de reticulare este favorizată, iar dacă raportul G(S):G(X) > 1, sunt favorizate procesele de degradare. Pentru materialele care prezintă valori reduse ale lui G(X), respectiv G(S), se consideră că aceste materiale sunt rezistente la iradiere.

Din valorile acestui raport prezentate în tabelul 7.3, reiese că pentru produsul fără PEO, sunt predominante procesele de reticulare, iar pentru hidrogelul cu PEO, există o ușoară tendință spre reacțiile de degradare.

Gradul de gonflare și stabilitatea hidrogelurilor în medii fiziologice

Gradul de gonflare și stabilitatea structurală a hidrogelului sunt două caracteristici esențiale pentru utilizarea lor în ingineria tisulară.

Stabilitatea și capacitatea de gonflare a hidrogelurilor cu și fără PEO au fost studiate în apă deionizată, dar și în soluție tampon fosfat salin (PBS) care imită starea fiziologică (pH, osmolaritatea și concentrația ionilor) a corpului uman.

În figura 7.6 se prezintă variația gradului de gonflare determinat în apă deionizată la 37°C (temperatura normală a corpului uman) în funcție de timpul și doza de iradiere.

Figura 7.6. Gradul de gonflare în apă deionizată – hidrogel GI

Pentru hidrogelul fără PEO, GG(%) obținut la 25 kGy, are valoare de 4000%, iar pentru cel cu 0,3% PEO, este de 1600% (aproximativ de 2,5 ori mai mic), ceea ce arată că prin creșterea concentrației polimerilor în compoziția hidrogelurilor și creșterea densității de reticulare, rețeaua macromoleculară a hidrogelului devine tot mai densă și este împiedicată difuzia moleculelor de apă în mediul de gonflare.

Din figura 7.6 reiese că pentru cele două tipuri de hidrogeluri, echilibrul la gonflare se atinge după aproximativ 1000 minute, iar forma fizică este stabilă până la aproximativ 3000 de minute. Pentru utilizarea potențială a acestor hidrogeluri ca pansamente pentru vindecarea rapidă a rănilor de la nivelul pielii, s-a testat stabilitatea acestuia în diverse medii care simulează pH-ul pielii în cazul pielii sănătoase și în prezența unei rănii infectate.

În cazul unei răni se formează așa numitul „exudat” format din nutrienți, electroliți, substanțe inflamatorii, leucocite, proteine care în prezența hidrogelului este absorbit prin procesul de gonflare, ducând la vindecare. Folosirea unui hidrogel (pansament) inadecvat nu exclude riscul de infectare și de cronicizare a rănii. Determinările de gonflare și stabilitate pentru hidrogelurile sintetizate s-au făcut în soluții cu pH = 5,4 (piele sănătoasă) și pH = 9,4 (rană infectată) [182].

În figura 7.7 se prezintă variația GG(%) în funcție de timp ((0-3000) minute) și pH (5,4-9,4) pentru hidrogelurile preparate fără PEO pentru toate dozele de iradiere (10 – 25) kGy la temperatura de 37°C.

Figura 7.7. Gradul de gonflare în funcție de timp și pH

În cazul determinărilor făcute în soluții cu pH (5,4 – 9,4), gradul de gonflare a scăzut la aproximativ 1750%, față de valoarea de 4000% în cazul gonflării în apă deionizată, dar se păstrează stabilitatea și timpul de atingere al echilibrului. Această constatare indică utilizarea acestor hidrogeluri în obținerea unor pansamente destinate vindecării unor răni mai mult sau mai puțin infectate.

În ceea ce privește variația gradului de gonflare în timp și în raport cu pH-ul, nu există o dependență evidentă, dar echilibrul de gonflare este aproape constant (1650-1750) %.

În figura 7.8 se prezintă variația GG(%) în funcție de timp ((0 – 3000) minute) și pH (5,4-9,4) pentru hidrogelurile preparate cu adăugare de PEO pentru toate dozele de iradiere (10-25) kGy la temperatura de 37°C.

Figura 7.8. Gradul de gonflare în funcție de timp

Adăugarea de PEO, scade GG% la echilibru, indiferent de pH și de doză. De exemplu, pentru hidrogelul obținut cu doza de 25 kGy, GG% este de aproximativ 1150%, ceea ce înseamnă că 1 g de hidrogel uscat, absoarbe aproximativ 12 g de lichid similar fluidelor fiziologice. Din reprezentarea grafică se mai observă că pentru mediul neutru și bazic, GG% la echilibru este mai mare decât cel corespunzător în mediu acid. Aceasta se datorează activării mecanismelor de deprotonare a grupărilor donoare de protoni (NH, COOH, OH), ca o consecință a dezintegrării punctelor de reticulare inter-moleculare sau intra-moleculare în mediu bazic, ceea ce duce în final și la creșterea dimensiunii ochiurilor de rețea din structura hidrogelului. Acest efect în mediu bazic la pH = 8 – 10 a fost observat și a asupra structurii macromoleculare unor hidrogeluri obținute din PVP și acid poliacrilic [183].

Având în vedere că în compoziția hidrogelurilor studiate în acest capitol intră colagen, PVP, AA, PEO și NMBA este important să se stabilească interacțiile care au loc în mediul apos și sub influența radiațiilor ionizante.

Cea mai importantă interacție se produce prin intermediul legăturilor de H formate în urma schimbului de protoni de la grupările donoare spre cele acceptoare. De exemplu, PVP și PEO sunt polimeri acceptori de protoni și formează legături puternice de H cu polimerii donori de protoni cum sunt colagenul și AA, favorizând asocierea polimerilor componenți prin formarea de legături chimice stabile, crescând stabilitatea structurală a hidrogelului [184, 185].

Cinetica de gonflare în apă deionizată

Procesul de gonflare al unui hidrogel constă într-o tranziție solid lichid, fără dizolvarea sau disocierea hidrogelului în mediul apos. Lichidul pătrunde în rețeaua polimerului prin difuzie, ducând la gonflarea acestuia prin diferite mecanisme prezentate în capitolul 3 – metode computaționale.

În difuzia de tip Fickian, lanțurile polimerice din hidrogel au un grad de mobilitate și relaxare ridicat, ceea ce face ca apa să pătrundă mai ușor în rețeaua relaxată (n = 0,50).

În difuzia de tip ne-Fickiană, procesul de difuzie este foarte rapid în comparație cu procesele de relaxare a lanțurilor (0,50 < n < 1). În acest caz, lanțurile polimerice din hidrogel nu sunt suficient de mobile, astfel încât să permită o difuzie rapidă a apei în structura hidrogelului.

Un alt caz de difuzie întâlnit, este difuzia de tip III sau anormală care are loc atunci când rata de difuzie a apei este aproximativ egală cu rata de relaxare [186].

Pe baza acestor considerente pentru hidrogelurile preparate s-au studiat mecanismele de difuzie atât în apă deionizată, dar și în condiții de pH diferit.

În figura 7.9 și tabelul 7.4 se prezintă curbele cinetice de gonflare și parametrii de difuzie pentru hidrogelul fără PEO în apă deionizată:

Figura 7.9. Curbele cinetice de gonflare pentru hidrogelul fără PEO în apă deionizată

Din aceste curbe s-a determinat parametrul (n) conform ecuației 3.38) și este prezentat în tabelul 7.4.

Tabelul 7.4. Parametrii de difuzie determinați pentru hidrogelul fără PEO în apă deionizată

Se observă că:

în intervalul de timp (5-180) minute, n > 0,5 ceea ce înseamnă că difuzia este caracterizată de un mecanism ne-Fickian și scade cu doza, fiind minimă la 25 kGy;

în intervalul de timp (240-420) minute, n > 0,5, deci este prezent tot un mecanism ne-Fickian, dar n, crește cu doza, fiind maximă la 25 kGy, ca urmare a relaxării lanțurilor polimerice și probabil hidratării suficiente a punctelor de reticulare formate prin iradiere;

în intervalul de timp (480-720) minute, n < 0,5, deci este o difuzie numită de tip pseudo-Fickian și semnifică că difuzia este redusă ca urmare a atingerii echilibrului [187] și nu există dependență cu doza de iradiere și în bună aproximație n este constant. Urmând aceeași pași pentru hidrogelul cu PEO, s-au realizat tabelul 7.5 și figura 7.10.

Tabelul 7.5. Parametrii de difuzie determinați pentru hidrogelul GI-0,3% PEO în apă deionizată

Figura 7.10. Curbele cinetice de gonflare pentru hidrogelul cu PEO în apă deionizată

Se observă că:

în intervalul (5-150) minute, n < 0,5, mecanism Fickian, n crește foarte puțin de la doza de 10 kGy la doza de 15 kGy și apoi rămâne constant.

în intervalul (180-450) minute, n > 0,5, mecanism ne-Fickian, n nu are o dependență clară de doză și în bună aproximație poate fi considerat constant;

în intervalul (480-720) minute, n << 0,5, mecanism pseudo-Fickian și n în bună aproximație poate fi considerat constant;

adăugarea de PEO crește gradul de mobilitate și relaxare al lanțurilor polimerice din hidrogel, ceea ce conduce la o difuzie îmbunătățită;

În figura 7.11 și tabelul 7.6 se prezintă curbele cinetice de gonflare și parametrii de difuzie pentru hidrogelul GI în soluții tampon cu pH = 5,4 – 9,4.

Tabelul 7.6. Parametrii de difuzie în condiții de pH diferit pentru hidrogelul GI

Din tabel și diagrame se observă că:

în intervalul de pH (5,4 – 9,4) și intervalul de doză (10 – 25) kGy, difuzia are loc în două trepte, după un proces pseudo-Fickian sau Fickian;

pentru doza de 15 kGy, în intervalul de pH (7,4 – 9,4), deci în mediu neutru și slab alcalin, n este ușor mai mare de 0,5, indicând un mecanism ne-Fickian;

pentru hidrogelul preparat cu 25 kGy, în intervalul de (5 – 120) minute difuzia decurge pseudo-Fickian, iar în intervalul (180 – 480) min, difuzia este Fickiană;

Procesul de gonflare al hidrogelurilor este dependent de contribuția mediului de difuzie și relaxarea lanțului polimeric. În hidrogelurile care conțin grupări funcționale ionizabile, au loc repulsii electrostatice, ceea ce duce la extinderea lanțurilor care afectează relaxarea lanțurilor macromoleculare. Creșterea gradului de reticulare nu modifică semnificativ ionizarea grupelor funcționale, ceea ce înseamnă că relaxarea lanțurilor macromoleculare este redusă și parametrul n, este scăzut [188].

În 7.7 este prezentat parametrul de difuzie (n), iar în figura 7.12, curbele cinetice de gonflare pentru GI-0,3 % PEO.

Tabelul 7.7. Parametrii de difuzie în condiții de pH diferit pentru hidrogelul GI-0,3 % PEO

Figura 7.12. Curbele cinetice de gonflare pentru hidrogelul GI-0,3% PEO în soluții tampon cu

pH = 5,4 – 9,4

Se observă că:

pentru acest hidrogel, în intervalul de pH (5,4 – 9,4), mecanismul de difuzie decurge în două etape marcate de timp;

indiferent de doză, cele două etape decurg după un mecanism ne-Fickian;

în mediu slab acid și neutru, (n) crește cu doza de iradiere pentru prima etapă și scade pentru a doua etapă;

pentru mediu alcalin, (n) scade cu doza pentru prima etapă și rămâne constant pentru etapa a doua.

Analiza reologică

Comportamentul reologic al hidrogelurilor preparate fără adăugare de PEO se prezintă în figura 7.13. Se observă că creșterea dozei de iradiere duce la creșterea modulului G’ (1600 – 6000) Pa și scăderea modulului G” (173 – 60) Pa.

Doza de 25 kGy (doza de sterilizare legal acceptată), mărește de aproximativ 4 ori valoarea lui G’ față de valoarea lui la doza de 10 kGy.

Figura 7.13. Variația lui G și G” în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită pentru hidrogelul preparat fără PEO

Din relația dintre modulii G și G” se poate concluziona că hidrogelul este elastic când este obținut cu doze mari (25 kGy) în detrimentul viscozității acestuia.

La nivel molecular, o comportare reologică predominant elastică, (G > G”), este asociată cu schimbări rapide și reversibile ale lungimii, formei sau orientării lanțurilor care apar atunci când este aplicată o forță pe un lanț polimeric. Viscozitea crescută este dată de de procese lente, ireversibile de disipare a energiei, care apar ca urmarea a mișcării macromoleculelor [189].

În figura 7.14 se prezintă comportamentul reologic al hidrogelurilor preparate prin adăugarea unei concentrații reduse de PEO.

Figura 7.14. Variația lui G și G” în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită pentru hidrogelul preparat cu PEO

PEO este un polimer netoxic des utilizat ca aditiv în obținerea prin iradiere a hidrogelurilor cu aplicații biomedicale având rol în creșterea elasticității. Din punct de vedere fizic, lanțurile de PEO rămân prinse pe lanțurile principale ale polimerilor constitutenți și acționează ca un agent de reticulare fizic [38].

Prin adăugarea 0,3% PEO în compoziția hidrogelului, modulul de elasticitate al hidrogelului a crescut de 3 ori, față de cel fără PEO și este cuprins între (4500 – 14000) Pa. Pentru aplicații potențiale de vindecare a țesuturilor moi, modulul de elasticitate al unei matrici polimerice sub forma de hidrogel trebuie sa fie cuprins între (103 – 105) Pa [141]. Pentru aplicații care vizează vindecarea rapidă a leziunilor cutanate un astfel de pansament trebuie să aibă caracteristici reologice similare cu cele ale pielii umane, G cuprins în intervalul (4500 – 8000) Pa [140].

Densitatea de reticulare ()

Structura rețelei unui hidrogel superabsorbant se caracterizează printr-o elasticitate ridicată și o capacitate a porilor să se extindă într-un mediu apos de (150 – 1500) ori mai mare decât dimensiunea lor în stare uscată. Dimensiunea porilor este factorul major care controlează gradul de gonflare al hidrogelurilor, iar gradul de gonflare este legat de densitatea de reticulare și tipul grupărilor funcționale imobilizate pe lanțul polimerilor [186].

În tabelul 7.8 se prezintă valorile experimentale determinate pentru parametrii care descriu structura macromoleculară a hidrogelului GI.

Tabelul 7.8. Valori experimentale pentru G, G, , și ξ determinate pentru hidrogelul GI

Din tabel se observă că Mc și ξ, scad cu creșterea dozei de iradiere în timp ce densitatea de reticulare, crește. În tabelul 7.9 se prezintă parametrii de structură determinați pentru hidrogelul obținut cu 0,3 PEO%.

Tabelul 7.9. Valori experimentale pentru G, G, , și ξ determinate pentru hidrogelul GI-0,3% PEO

Din tabel se observă că valorile lui Mc și ξ scad cu doza, iar densitatea de reticulare crește sugerând o reticulare mai puternică pentru hidrogelul reticulat cu 25 kGy. Calcularea acestor parametrii a fost realizată prin utilizarea datelor experimentale obținute prin reologie conform ecuațiilor (3.36, 3.37 și 3.13).

Valorile parametrilor de structură aduc informații importante în ceea ce privește utilizarea hidrogelurilor și ajută la optimizarea proprietăților pentru un anumit tip de aplicație, cum ar fi: pansamente sau sisteme de eliberare controlată a unor medicamente. De asemenea, evaluarea acestora în funcție de doza de radiație permite stabilirea cu certitudine dacă aceste tipuri de sisteme pot fi obținute la o doză de iradiere care să asigure și sterilizarea hidrogelului.

Pentru fiecare dintre cele două sisteme (cu și fără PEO), se observă că la doza de 25 kGy, valorile modulilor de elasticitate G’ sunt mari și sunt similari cu cei caracteristici unor țesuturi moi.

Analiza FTIR

Compoziția hidrogelurilor GI și GI – 0,3% a fost evaluată prin spectroscopie FT-IR, prin comparație cu spectrele FT-IR ale polimerilor componenți singulari.

În figura 7.15 se prezintă spectrele FT-IR pentru hidrogelul GI obținut cu doze de iradiere în intervalul (0 – 25) kGy.

Figura 7.15. Spectele FT-IR pentru hidrogelul GI

Principalele picuri identificate pentru hidrogelul GI neiradiat (0 kGy) sunt:

benzi largi de absorbție în regiunea (3700-2700) cm-1, cu un maxim de absorbție la 3370 cm-1, vibrații de întindere specifice grupărilor OH și NH;

(2924-2952) cm-1, vibrații de întindere specifice legăturilor CH2;

1652 cm-1 (amida I) și 1558 cm-1 (amida II) caracteristice colagenului;

1420 cm-1, CH2 din inelul pirolidinic din PVP;

1290 cm-1, amida III caracteristică colagenului;

Hidrogelul GI iradiat cu doze de (10-25) kGy:

în intervalul (3700-2700) cm-1, a crescut intensitatea picului maxim și s-a deplasat spre numere de undă mai mari, de la 3290 cm-1 la 10 kGy, la 3324 cm-1 (15 kGy);

după iradierea cu 25 kGy, are loc o deplasare spre numere undă mai mici la 3302 cm-1;

deplasarea spre numere de undă mai mari se datorează descreșterii lungimii legăturilor chimice ca o consecință a creșterii interacțiilor intra- și inter-moleculare prin legături de H;

banda de amidă III, identificată la 1290 cm-1 își schimbă poziția spre numere de undă mai mici cu aproximativ 20 cm-1 și scade ușor în intensitate cu creșterea dozei;

banda de amidă III este caracteristică proteinelor cum este colagenul și oferă informații despre structura secundară a acestora;

la 25 kGy apare o nouă bandă la 1053 cm-1 care este asociată cu introducerea unor grupări COH specifice alcoolilor primari, ca o consecință a proceselor oxidative declanșate la această doză de iradiere [169].

Pentru evaluarea spectrelor FT-IR pentru hidrogelurile obținute și prin adăugare de 0,3% PEO, s-a înregistrat spectrul pentru PEO pur (figura 7.16).

Figura 7.16. Spectrul FT-IR al PEO

Principalele picuri identificate pentru PEO sunt:

2875 cm-1 vibrația de întindere specifică grupărilor metilenice (CH2);

1094 cm-1 această bandă de absorbție rezultă din vibrațiile de întindere provenite din asocierea grupărilor CH2 cu cele eterice din care se formează gruparea C-O-C [190];

1464 cm-1/1342 cm-1 vibrații de deformare în afara planului (wagging) ale grupărilor CH2;

954 cm-1 și 840 cm-1 vibrații de deformare în plan (rocking) ale grupărilor CH2.

Figura 7.17. Spectrul FT-IR al hidrogelului GI-0,3 % neiradiat

În figura 7.17 este prezentat spectrul FT-IR pentru amestecul neiradiat format din colagen, PVP și 0,3 % PEO pentru care au fost atribuite următoarele picuri:

3260 cm-1 bandă atribuită amidei I din colagen;

3065 cm-1 bandă amida B caracteristică colagenului;

1654 cm-1 bandă amida I și corespunde vibrațiilor de întindere a grupărilor și din colagen și PVP;

1546 cm-1 bandă amidă II;

1380 cm-1, vibrații de deformare a grupărilor C-H și CH2[191];

1230 cm-1 vibrație de întindere caracteristică legăturilor C-N care provine de la o grupare amino terțiară legată de resturi alchil [192];

1120 cm-1, vibrație de întindere caracteristică grupării C-OH și care este dată de un alcool secundar.

950 cm-1 vibrații de deformare a grupărilor CH caracteristice nucleelor aromatice

Figura 7.18. Spectele FT-IR pentru hidrogelul GI-0,3% PEO

În figura 7.18 se prezintă spectrele FT-IR pentru hidrogelul GI-0,3% PEO preparat cu doze de iradiere în întervalul (10 – 25 kGy) pentru care s-au identificat următoarele picuri caracteristice și care au fost atribuite după cum urmează:

în intervalul (3700 – 2700) cm-1 benzile de absorbție devin largi și crește intensitatea la doza de 25 kGy;

picul maxim este deplasat spre de numere de undă mai mici de la 3352 cm-1 (10 kGy) la 3311 cm-1 (25 kGy);

benzile caracteristice colagenului își păstrează poziția;

după iradierea cu 15 kGy și 25 kGy are loc deplasarea benzii de la 1104 cm-1 la 1046 cm-1 și este asociată cu apariția unor grupări OH care aparțin unui alcool primar, probabil datorită unei reacții de oxidare, care are loc fără ruperea legăturilor C-C și transformarea grupărilor OH secundare în cetone.

se observă ca după iradierea cu 15 și 25 kGy, apare un umăr de intensitate redusă în spectrul FT-IR la 1735 cm-1.

Concluzii

S-au obținut hidrogeluri cu proprietăți superabsorbante, elasticitate și stabilitate crescute din colagen/PVP și colagen/PVP/PEO prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați (EA) în atmosferă inertă de Ar; S-au obținut hidrogeluri cu o fracție de gel, cuprinsă între (77 84) %;

Fracția de gel crește cu doza de iradiere atât în cazul hidrogelurilor de colagen/PVP dar și pentru sistemul de colagen/PVP/PEO;

Valorile rapoartelor p0/q0 nu depășesc valoarea 2, ceea ce înseamnă că procesele de reticulare predomină, iar cele de degradare sunt neglijabile;

Adăugarea de PEO în compoziția hidrogelului, scade doza minimă de gelifiere (Dg) la care se produce tranziția sol-gel;

Prin comparație cu hidrogelurile de colagen/PVP produse în vid (capitolul 6), hidrogelurile preparate în atmosferă inertă de argon, prezintă valori ale G(X) de aproximativ de 5 de ori mai mari;

Pentru hidrogelul GI, gradul de gonflare la 25 kGy, are valoarea de 4000%;

Gradul de gonflare scade de aproximativ 2,5 ori, când în compoziția hidrogelului este adăugat și PEO. Hidrogelurile testate ating echilibrul după aproximativ 16 ore după introducerea într-un mediu lichid ( apă deionizată și fluide fiziologice) și își păstrează forma fizică mai mult de 48 de ore;

Gradul de gonflare depinde de pH-ul soluției și este maxim în condiții de pH bazic și redus în condiții de pH slab acid.

Prin studierea mecanismelor de difuzie în apă deionizată și soluții cu pH diferit s-a constatat că mecanismul principal de difuzie este cel ne-Fickian și este caracteristic gelurilor reticulate;

Cu cât reticularea este mai pronunțată, difuzia este încetinită și are loc în 2 etape principale;

S-a observat că adăugarea unei cantități de PEO, crește gradul de mobilitate și relaxare al lanțurilor polimerice din hidrogel și difuzia este îmbunătățită;

Din analiza reologică s-a observat că modulul de elasticitate G’ a crescut cu doza de iradiere și a avut valori cuprinse între (1 600 –14 000) Pa;

Hidrogelurile cu 0,3% PEO au prezentat un modul de elasticitate egal cu 14 000 Pa la 25 kGy;

Valorile modulilor de elasticitate obținute pentru aceste hidrogeluri sunt similare cu cele ale unor țesuturi moi.

Parametrii specificii structurii macromoleculare a hidrogelurilor, Mc și ξ, scad cu creșterea dozei de iradiere, iar densitatea de reticulare, crește;

EFECTUL CONCENTRAȚIEI DE PEO ASUPRA HIDROGELURILOR SUPERABSORBANTE OBȚINUTE DIN COLAGEN ȘI PVP PRIN RETICULARE CU EA

S-au obținut hidrogeluri cu proprietăți superabsorbante plecând de la rețetele de preparare optimizate anterior. Cum pentru rețetele de hidrogeluri preparate anterior, cele mai bune rezultate s-au obținut în domeniul de doze (7,5 – 12,5) kGy, doze de iradiere insuficiente pentru asigurarea concomitentă a reacției de reticulare, dar și a sterilizării produsului final, s-a considerat necesară o modificare a rețetei care să permită iradierea cu doze mai mari și atingerea celor două deziderate: reticulare și sterilizare.

S-a constat că hidrogelurile colagen/PVP/PEO prezintă proprietăți elastice crescute, stabilitate crescută în medii similare celor fiziologice și proprietăți de gonflare bune, astfel că s-a încercat adăugarea de PEO pentru o plajă de concentrații: (0,1 – 1) % și doze de iradiere de (10 – 25) kGy.

Prepararea hidrogelurilor

Soluțiile polimerice au fost preparate conform modului de lucru prezentat în capitolul 7, iar compoziția fiecărui amestec este prezentată în tabelul 8.1

Tabelul 8.1. Compoziția hidrogelurilor cu diverse concentrații de poli(etilenoxid) (PEO)

După omogenizarea completă a amestecului colagen/PVP acesta s-a divizat în 4 părți egale și s-a adăugat (0,1 – 1)% PEO. Înainte de reticularea cu EA, s-au efectuat aceleași operații (centrifugare degazare vidare) pentru eliminarea oxigenului dizolvat introdus în timpul operațiilor de amestecare pentru reducerea proceselor oxidative în timpul iradierii. Prin aceste operații se asigură obținerea unui hidrogel cu suprafață uniformă și fără bule de gaz.

În Schema 8.1 se prezintă principiul de bază al reacției de reticulare inițiată sub acțiunea EA. Prin iradierea unei soluții apoase polimerice se formează radicali liberi pe lanțurile polimerilor în urma procesului de radioliză, iar în urma reacțiilor de recombinare dintre macroradicali se formează un material solid cu structură compactă.

Schema 8.1. Schema generală de obținere hidrogeluri prin iradiere

Caracterizarea hidrogelurilor colagen/PVP/PEO

Analiza sol-gel

Figura 8.1 prezintă variația fracției de gel (G%) în funcție de concentrația de PEO și doza absorbită.

Figura 8.1. Variația fracției de gel în funcție de concentrația de PEO

Din figură se observă că:

G(%) crește cu creșterea dozei de iradiere și scade cu creșterea concentrației de PEO;

pentru sistemele preparate cu 0,1% PEO, fracțiile de gel sunt sub 60%;

pentru sistemele preparate cu (0,25 – 0,5%) PEO, fracțiile de gel sunt mai mari de 75%;

pentru sistemele preparate cu (0,5 – 1%) PEO, fracțiile de gel scad, dar nu semnificativ, până la 72%;

din curbele de mai sus reiese că pentru orice doză, domeniul de concentrație recomandat este (0,2 – 0,5)%;

Cu cât concentrația polimerilor este mai mare, sistemul polimeric are o viscozitate mai mare și implicit o mobilitate redusă a macroradicalilor rezultați după iradiere. Creșterea concentrației de PEO în aceste sisteme peste 0,5% nu favorizează procesele de reticulare, de asemenea la concentrații sub 0,2% PEO, reticularea nu predomină.

În tabelele 8.2 și 8.3 se prezintă rezultatele care descriu desfășurarea procesului de iradiere cu concentrații de PEO diferite.

Tabelul 8.2. Analiza sol-gel pentru hidrogelurile cu concentrații diferite de PEO

Tabelul 8.3. Randamentele radio-chimice de reticulare și degradare

Se observă că:

la concentrația de 0,1% PEO, datele de analiză sol-gel nu pot fi estimate;

la concentrația de 1% PEO, doza de gelifiere este foarte mică;

raportul p0/q0 scade cu concentrația având valoarea cea mai mică la concentrația de 0,25% PEO, ceea ce pune în evidență o reticulare apreciabilă;

în sistemele preparate cu (0,25 – 0,5)% PEO, G(X) și G(S) cresc cu doza;

în sistemele preparate cu (0,25 – 0,5)% PEO, G(X) este mai mare decât de G(S), ceea ce pune în evidență predominarea proceselor de reticulare, în detrimentul celor de descompunere;

cum pentru hidrogelurile preparate cu 0,3% PEO în atmosferă inertă de Ar, G(X) ≈ G(S), (capitolul 7) rezultă că operațiile succesive de centrifugare degazare vidare sunt suficiente pentru obținerea unor hidrogeluri calitativ superioare cu G(X) >> G(S);

Prin comparație cu hidrogelurile preparate cu 0,3% PEO în atmosferă inertă de Ar (capitolul 7), unde valorile G(X) ≈ G(S), arată că reticularea și degradarea au loc simultan, ceea ce semnifică că aceste hidrogeluri pot fi produse și fără includerea unor operații complicate în procesul de obținere. Degazarea sistemului prin operații succesive de centrifugare, ultrasonare și vidare, sunt operații suficiente astfel încât să se obțină un hidrogel cu proprietăți controlate prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați.

Conform datelor de literatură pentru o serie de materiale polimerice iradiate la temperatura camerei și în absența oxigenului, randamentele radio-chimice de reticulare, G(X) și degradare, G(S) au următoarele valori (tabelul 8.4):

Tabelul 8.4. Valori din date de literatură pentru randamente radiochimice G(X) și G(S)

Din datele de literatură reiese că materialele care prezintă valori reduse ale lui G(X), respectiv G(S), sunt rezistente la iradiere, de exemplu stirenul. De regulă, polimerii care conțin mai mulți atomi de hidrogen situați pe părțile laterale ale lanțurilor (ex. polietilena), tind să reticuleze sub acțiunea radiațiilor ionizante. Polimerii care conțin grupări metilice sau au în moleculă atomi de halogeni, tind mai degrabă să se degradeze. Polimerii care conțin nuclee aromatice în moleculă (ex. polistiren) sunt de obicei foarte stabili la iradiere.

De obicei în practică sunt întâlnite următoarele cazuri:

când G(X) >> G(S), masa moleculară crește continuu datorită legăturilor reticulate continuu, dar masa moleculară la un moment nu va mai crește, deoarece G(S) va crește mai repede;

când G(X) G(S), G(S) la sfârșitul reacției va egala G(X) și masa moleculară va înregistra un punct de inflexiune, iar reacția generală va decurge de la reticulare degradare;

când G(X) G(S), degradarea are loc continuu [181].

Analiza reologică

În figura 8.2 se prezintă comportamentul reologic al hidrogelurilor preparate cu diverse concentrații de PEO și la dozele de iradiere de (10 – 25) kGy. Indiferent de concentrația de PEO adăugată în fiecare sistem, modulul G’ a crescut cu doza de iradiere și este constant în intervalul de frecvență unghiulară investigat.

Figura 8.2. Variația lui G în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită .

La doza de iradiere de 25 kGy, modulul G a avut valori cuprinse între (3241-9816) Pa și depinde de concentrația de PEO adăugată, având cea mai mare valoare la 0,25% PEO.

În figura 8.3 se prezintă variația modulului de elasticitate (G) în funcție de concentrația de PEO.

Figura 8.3. Efectul concentrației de PEO asupra modulului de elasticitate

Se observă că modulul de elasticitate crește în funcție de doza de iradiere, dar după o anumită concentrație de PEO introdusă în sistem, are loc scăderea bruscă a acestui parametru. În acest caz, după cum se observă din grafic, o concentrație de 0,35% PEO, ar putea fi considerată optimă, pentru îmbunătățirea semnificativă a proprietăților elastice a unor astfel de sisteme. Mai mult de atât poate fi luată în considerare și posibilitatea reticulării acestui sistem, fără adăugare de agenți chimici de reticulare.

În figura 8.4 se prezintă variația modulului de viscozitate (G”) în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită. Pentru fiecare compoziție de hidrogel, G” scade cu doza de iradiere, ceea ce arată că, densitatea de reticulare și contribuția elastică sunt favorizate cu creșterea dozei, iar comportamentul viscos este inhibat [193].

Figura 8.4. Variația lui G” în funcție de frecvența unghiulară (ω) și doza absorbită

Evoluția neliniară a lui G” la frecvențe joase sugerează debutul unei modificări structurale în rețeaua hidrogelului, care are cel mai probabil un comportament viscos. Acest lucru este de obicei întâlnit în cazul unor geluri reticulate, atunci când intervalul experimental în care se aplică stresul devine comparabil cu timpul de relaxare al gelului – în acest caz, la frecvențe mai mici de testare.

În aplicațiile gelurilor în diverse domenii un rol important are raportul G’/G” și anume este recomandat să fie mai mic de 50. De exemplu, în literatură s-a semnalat că pentru unele geluri obținute din gelatină și enzime, raportul G’/G” > 50, geluri care pot fi recomandate ca biomateriale, ele nu disociază în contact cu diverse răni [194].

Pentru sistemele investigate, valorile acestui raport au fost cuprinse între 38 – 49, cele mai mari valori fiind găsite pentru sistemele preparate cu (0,25 – 0,5)% PEO la doza de 25 kGy.

Pentru toate probele pe tot domeniul de frecvență studiat, G' este mai mare decât G", ceea ce arată că hidrogelurile prezintă un comportament predominant elastic specific materialelor solide cu proprietăți elastice. Acest lucru mai indică și că durata de viață a legăturilor reversibile din sistem este mai lungă decât timpul ales pentru efectuarea experimentului [195].

Gradul de gonflare și verificarea stabilității hidrogelurilor în medii fiziologice simulate

Figura 8.5. Hidrogel de colagen/PVP/PEO gonflat

În figura 8.5 se prezintă variația gradului de gonflare în apă deionizată la 37°C în funcție de timpul de imersare și doza de iradiere.

Figura 8.5. Gradul de gonflare în apă deionizată (hidrogeluri preparate cu (0,1-1)% PEO

Gradul de gonflare al hidrogelurilor preparate cu diverse concentrații de PEO, depinde de doza de iradiere și de compoziția lor, în general crește cu cu doza de iradiere și scade cu aceasta la concentrații de PEO, fie crescute, fie reduse. Spre exemplu, hidrogelurile preparate cu (0,5-1)% PEO au prezentat un grad de gonflare cuprins în intervalul (3000 – 7100)%, ceea ce înseamnă că aceste hidrogeluri sunt capabile să înglobeze în structura lor o cantitate de ~ (30 – 71) gapă/ghidrogel.

Pentru hidrogelurile preparate cu 0,25% PEO, respectiv 0,1%, gradul de gonflare este cuprins între (1500 – 5500)%, ceea ce înseamnă că aceste geluri înglobează o cantitate mai mică de apă, de ~ (15 – 55) gapă/ghidrogel. Este important să se menționeze că aceste hidrogeluri au prezentat stabilitate de 72 de ore în mediul de gonflare și au atins echilibrul după 25 ore, având un maxim de absorbție la 8 ore de la imersare în mediul de gonflare, fiind capabile să absoarbă în medie 25 gapă/ghidrogel.

În figura 8.6 se prezintă gradul de gonflare determinat pentru hidrogelurile preparate cu (0,5 – 1)% PEO în soluții cu pH diferit.

Figura 8.6. Gradul de gonflare în soluții cu pH = 5,4 – 7,4 și temperatura de 37°C pentru hidrogelurile preparate cu (0,5 – 1)% PEO

Se observă că GG(%) determinat în soluții de diverse pH-uri se reduce în comparație cu GG(%) determinat în apă deionizată și este în toate cazurile mai mare în condiții de pH neutru. În condiții de pH diferit, hidrogelurile investigate au prezentat stabilitate de peste 48 ore și au atins echilibrul după 8 – 10 ore. Toate hidrogelurile o capacitate de absorbție a lichidelor în domeniul de pH = 5,4 – 9,4 de ~ (10-20) glichid/ghidrogel.

În figura 8.7 se prezintă gradul de gonflare determinat pentru hidrogelurile preparate cu (0,1-0,25)% PEO în soluții cu pH diferit. Se observă că pentru aceste geluri, GG(%) se reduce considerabil, fiind cuprins între (400 – 1600)%, având un procent mai mare în mediu slab bazic pentru hidrogelurile obținute cu doze de 10 kGy sau 15 kGy. Gonflarea este favorabilă în mediu slab acid pentru hidrogelul produs cu 25 kGy. Dacă concentrația de PEO se reduce și mai mult, gonflarea este mai mare în mediu neutru și slab bazic. În acest caz, hidrogelurile ating echilibrul mult mai repede, comparativ cu celelalte sisteme, adică sub 6 ore, în mediu slab acid și neutru.

Figura 8.7. Gradul de gonflare în soluții cu pH = 5,4 – 7,4 și temperatura de 37°C pentru hidrogelurile preparate cu (0,1 – 0,25)% PEO

Pentru o viziune generală asupra calității hidrogelurilor preparate se poate realiza dependența gradului de gonflare de concentrația de PEO, atât în apă deionizată cât și în soluții de diverse pH-uri și în raport cu doza de iradiere, ceea ce este prezentat în figura 8.8

Figura 8.8. Efectul concentrației de PEO asupra gradului de gonflare în apă deionizată și soluții cu pH diferit și în raport cu doza de iradiere

Se observă că:

procentul de gonflare în apă deionizată crește cu doza și concentrația de PEO;

la pH de 5,4 și 7,4, procentul de gonflare, crește cu doza pe intervalul (10 – 15) kGy și cu concentrația de PEO;

la pH de 9,4:

procentul de gonflare crește cu concentrația de PEO pentru doza de 25 kGy;

procentul de gonflare pentru dozele (10 – 15) kGy, crește până la concentrația de 0,35% PEO, după care scade;

curbele pentru dozele 15 kGy și 25 kGy, se intersectează la 0,55 % PEO;

curbele pentru dozele 10 kGy și 15 kGy se suprapun în domeniul (0,1 – 0,25) % PEO.

Caracterizarea structurii

În tabelul 8.5 se prezintă valorile parametrilor de structură ai hidrogelurilor. Parametrii MC, Ve și ξ au fost determinați prin utilizarea datelor obținute din analiza reologică cu a ajutorul relațiilor (3.36, 3.37 și 3.13).

Tabelul 8.5. Valori experimentale pentru G, G, , și ξ

parametrul MC (masa moleculară dintre două puncte de reticulare), scade cu creșterea dozei de iradiere pentru compozițiile (0,25 –1) % PEO;

pentru toate dozele, în intervalul de concentrație (0,25 –1) % PEO, MC scade cu scăderea concentrației;

densitatea de reticulare (), crește cu doza de iradiere, fiind maximă la 25 kGy pentru sistemul preparat cu 0,25% PEO;

parametrul ξ, scade cu doza de iradiere pentru toate concentrațiile;

valorile ρ, V2r și V2s au fost determinate prin utilizarea unei balanțe analitice prevăzută cu kit pentru determinarea densității și au fost folosite pentru determinarea parametrilor de structură prezentați mai sus.

Analiza FT-IR

Studiul hidrogelurilor obținute s-a realizat și prin spectroscopie FT-IR.

În figura 8.9 se prezintă spectrele FT-IR pentru hidrogelurile preparate cu diverse concentrații de PEO și la dozele de iradiere (0 – 25) kGy. Spectrele obținute sunt interpretate în raport cu spectrele obținute pentru amestecurile polimerice neiradiate și în funcție de cele ale polimerilor componenți singulari.

Principalele picuri identificate pentru hidrogelul GI – 1% PEO neiradiat sunt:

bandă largă de absorbție în regiunea (3700-2700) cm-1, cu un maxim de absorbție la 3373 cm-1, vibrații de întindere specifice grupărilor OH și NH;

(2883 – 2950) cm-1, vibrații de întindere specifice legăturilor CH2 și CH;

1654 cm-1 (amida I) și 1556 cm-1 (amida II), picuri carcateristice moleculei de colagen;

1427 cm-1, vibrații de deformare specifice grupărilor din inelului pirolidinic;

1282 cm-1, vibrații de întindere a benzii de amidă III;

1224 cm-1, vibrație de întindere specifică grupării C-O;

1109 cm-1, vibrație de întindere a grupării C-OH, provenită de la un alcool secundar.

Figura 8.9. Spectrele FTIR pentru hidrogelurile preparate cu (0,1-1) % PEo

Hidrogelul GI – 1% PEO iradiat cu doze de (10-25) kGy:

benzi largi de absorbție în regiunea (3700-2700) cm-1, intensitatea benzilor crește cu doza de iradiere, iar maximul picului s-a deplasat spre numere de undă mai mici, până la 3354 cm-1;

picurile caracteristice legăturilor CH2 s-au deplasat spre numere de undă mai mici, până la 2924 cm-1;

benzile caracteristice amidei I, rămân neschimbate atât poziția picului cât și intensitatea;

benzile caracteristice amidei II, se deplasează ușor spre numere de undă mai mari și cresc în intensitate, de la 0,4 (0 kGy) la 0,7 (25 kGy);

banda situată la 1107 cm-1 scade ușor în intensitate.

Hidrogelul GI – 0,5% PEO neiradiat:

bandă largă cu maxim de absorbție la 3384 cm-1 (OH intermolecular și NH);

2885 cm-1 și 2950 cm-1, vibrații de întindere CH, CH2 și CH3;

1655 cm-1 (amida I) și 1558 cm-1 (amida II);

1430 cm-1, vibrații de deformare specifice grupărilor din inelului pirolidinic;

1281 cm-1, vibrații de întindere a benzii de amidă III;

1222 cm-1, vibrație de întindere specifică grupării C-O;

1109 cm-1, vibrație de întindere a grupării C-OH, provenită de la un alcool secundar;

Hidrogelul GI – 0,5% PEO iradiat cu doze de (10-25) kGy:

la 10 kGy și 25 kGy, scade intensitatea benzilor de absorbție;

la 15 kGy, intensitatea benzilor de absorbție crește;

picul atribuit benzii de amidă I rămâne neschimbat;

picurile de la 3346 cm-1 (10 kGy) s-au deplasat la 3370 cm-1 (la 25 kGy);

cu creșterea dozei de iradiere, picul atribuit benzii de amida II, s-a deplasat de la 1563 cm-1 la 1574 cm-1 și scade în intensitate;

picul atribuit grupărilor C-OH, s-a deplasat de la 1110 cm-1 la 1105 cm-1 probabil ca o consecință a unor asocieri moleculare puternice între polimerii participanți;

Hidrogelul GI – 0,25% PEO neiradiat:

bandă largă cu maxim de absorbție la 3370 cm-1 (OH intermolecular și NH);

celelalte picuri caracteristice au fost identice cu spectrele descrise pentru hidrogelurile GI preparate cu (0,5-1)%PEO.

picul caracteristic grupării C-OH, a scăzut în intensitate.

Hidrogelul GI – 0,25% PEO iradiat cu doze de (10-25) kGy:

cu creșterea dozei de iradiere, crește intensitatea benzilor în intervalul (3700-2700) cm-1, iar picul maxim s-a deplasat la 3354 cm-1;

poziția celorlalte picuri a rămas neschimbată după iradierea cu 10 și 15 kGy;

Hidrogelul GI – 0,1% PEO neiradiat:

bandă largă cu maxim de absorbție la 3368 cm-1 (OH intermolecular și NH);

celelalte picuri caracteristice au fost identice cu spectrele descrise pentru hidrogelurile GI preparate cu (0,5-1)%PEO.

Hidrogelul GI – 0,1% PEO iradiat cu doze de (10-25) kGy:

după iradierea cu (10-25) kGy, intensitatea picurilor caracteristice nu este afectată, în regiunea (3700-2700) cm-1 a spectrului.

Concluzii

S-au preparat hidrogeluri colagen/PVP/PEO cu proprietăți elastice și superabsorbante prin reticulare cu fascicule de electroni accelerați;

S-a studiat efectul concentrației de PEO asupra amestecurilor de colagen/ PVP;

Creșterea concentrației de PEO în aceste sisteme peste 0,5% nu favorizează procesele de reticulare, de asemenea la concentrații sub 0,2% PEO, reticularea nu predomină.

În cazul sistemelor preparate cu (0,25-0,5)% PEO, valorile G(X) sunt mai mari decât cele ale lui G(S) și se dublează la doza maximă de iradiere. Prin comparație cu hidrogelurile preparate cu 0,3% PEO în atmosferă inertă de Ar (capitolul 7), unde valorile G(X) ≈ G(S), arată că reticularea și degradarea au loc simultan și semnifică că aceste hidrogeluri pot fi produse și fără includerea unor operații complicate în procesul de obținere.

Degazarea sistemului prin operații succesive de centrifugare, degazare și vidare, sunt operații suficiente astfel încât să se obțină un hidrogel cu proprietăți controlate prin iradiere cu fascicule de electroni accelerați.

Modulul G a crescut cu doza de iradiere, de asemenea fiind constant în intervalul de frecvență unghiulară investigat.

Modulul G la 25 kGy a avut valori cuprinse între (3241-9816) Pa și a depins de concentrația de PEO adăugată, având cea mai mare valoare la 0,25% PEO.

Din evaluarea variației modului de elasticitate (G) în funcție de concentrația de PEO, s-a observat că o concentrație de 0,35% PEO, ar putea fi considerată optimă, pentru îmbunătățirea semnificativă a proprietăților elastice a unor astfel de sisteme, fiind posibilă reticularea sistemului colagen/PVP/PEO, fără adăugare de agenți chimici de reticulare și fără condiții speciale cum este aceea de reticulare în atmosferă inertă;

Toate hidrogelurile au prezentat valori mari ale lui G' în comparație cu valorile lui G", ceea ce arată că hidrogelurile prezintă un comportament predominant elastic specific materialelor solide cu proprietăți elastice;

Gradul de gonflare al hidrogelurilor preparate cu diverse concentrații de PEO, depinde de doza de iradiere și compoziția hidrogelurilor, în general crește cu doza de iradiere, dar scade la concentrații crescute sau reduse de PEO;

În funcție de concentrația de PEO adăugată în compoziția hidrogelurilor, gradul de gonflare a variat între (1500-5500-7100)%, ceea ce înseamnă că aceste hidrogeluri pot absoarbe ~ (15-70) gapă/ghidrogel.

Au prezentat stabilitate mai mare de 72 de ore, atingând echilibrul după 25 ore;

Gradul de gonflare se reduce în condiții de pH diferit și este maxim la pH neutru și bazic;

În condiții de pH (5,4-9,4), toate hidrogelurile au prezentat stabilitate peste 48 ore și au o capacitate de absorbție de ~ (10-20) glichid/ghidrogel.

Parametrul MC este dependent de concentrația de PEO și de doza de iradiere pentru toate compozițiile de hidrogel;

Densitatea de reticulare a crescut cu doza de iradiere.

EFECTUL RADIAȚIILOR IONIZANTE ASUPRA STABILITĂȚII TERMICE A GELURILOR DE COLAGEN-PVP

În acest capitol sunt prezentate date referitoare la efectul radiațiilor ionizante asupra stabilității termice pentru colagen și PVP iradiat și asupra amestecurilor lor.

Prepararea hidrogelurilor

Pentru prepararea amestecurilor apoase de colagen-PVP s-a utilizat gel de colagen Tip I extras din piele de vițel și PVP360 (= 3,6 ).

Amestecurile de colagen-PVP , au fost preparate prin amestecarea unor cantități potrivite de colagen cu PVP pentru a obține o concentrații egale de colagen, PVP.

După omogenizare, amestecurile obținute au fost turnate în vase Petri și au fost iradiate cu EA la temperatura camerei și presiune atmosferică. Dozele de iradiere au fost cuprinse în intervalul (5-30) kGy, iar debitul de doză a fost de 2 kGy/min. După iradiere, hidrogelurile au fost liofilizate obținîndu-se materiale spongioase.

Stabilitatea termică a colagenului iradiat

Date de literatură arată că molecula de colagen este de 10 ori mai rezistentă la iradiere fată de alte proteine (de exemplu ADN). Cel mai important proces distructiv observat în structura colagenului sub influența radiațiilor ionizante (X, electroni accelerați sau γ), este hidroliza legăturilor peptidice. Daca iradierea colagenului are loc în prezenta apei, procesele distructive încep să predomine doar la dozele care depășesc 50 kGy.

Principalul proces care are loc prin iradierea colagenului este reticularea care are loc are loc prin dezaminari oxidative, formandu-se legături imince sau aldolice și care îi conferă rezistență mecanică și termică.

Iradierea unor soluții acide de colagen cu doze mai mari de 100 kGy produce separarea de faze și apariția unui lichid sineretic și duce la pierderea capacității de a forma pelicule și în același timp scăderea solubilității [63].

Macromoleculele de colagen în starea lor nativă au structură tridimensională complexă triplu-helix stabilizată prin interacții intra și intermoleculare (legături de hidrogen). Întreruperea acestor interacții (denaturarea), precum și tranziția macromoleculelor de colagen din starea lor nativă de triplu-helix într-o structură cu organizare aleatorie poate fi analizată prin calorimetrie dinamică diferențială. Temperatura maximă din curbele DSC reflectă temperatura de denaturare (Td), iar entalpia de denaturare (ΔHd) dă indicații asupra interacțiilor intra și intermoleculare în sensul că dacă acestea sunt inhibate, Td și ΔHd au valori mici, în schimb, reticularea pronunțată duce la mărirea cestor valori [195].

O serie de termograme prezentate în literatura de specialitate pentru colagen, în domeniul de temperatură (20–400)oC pun în evidență două procese distincte [196]:

(25–125)oC proces endoterm atribuit deshidratării termice ;

(125–400)oC proces exoterm atribuit descompunerii termo-oxidative;

Vârful, simetria și aria (entalpia de denaturare) picului sunt elementele fundamentale în caratacterizarea procesului de denaturare al colagenului.

Stabilitatea termică a gelului de colagen iradiat cu doze (5 – 100) kGy a fost investigată prin calorimetrie dinamică diferențială în atmosferă inertă de azot cu o viteză de încălzire de 10 K/min.

În figura 9.1 sunt prezentate curbele DSC caracteristice obținute pentru geluri de colagen neiradiate și iradiate din care se observă că în intervalul de temperatură (20 – 80)oC apare un pic endoterm, larg cu inflexiuni multiple.

Figura 9.1. Curbele DSC pentru gel de colagen iradiat

Din datele DSC obținute se constată că la încălzirea progresivă a gelurilor de colagen, denaturarea este caracterizată de un proces endoterm. Temperatura de denaturare, Td s-a considerat temperatura corespunzătoare vârfului picului, iar ΔHd a fost calculată prin integrarea fiecărei curbe DSC, care a fost apoi raportată la masa probei de analizat. Pentru un calcul precis al entalpiei de denaturare și pentru îmbunătățirea simetriei picurilor, datele DSC experimentale au fost prelucrate prin utilizarea funcției ”Multiple Peak Analysis” cu programul OriginPro 8.1.

Din curbele prezentate se observă că stabilitatea termică este diferită pe zone distincte din intervalul de temperatură folosit.

Tabelul 9.1. Valorile picurilor identificate în curbele DSC

Din tabelul 9.1 se observă că pentru proba de colagen neiradiată a fost identificată o temperatură corespunzătoare vârfului picului endoterm la 63,1°C și două picuri endoterme separate prin deconvoluție la 54,8°C și 61,9°C.

Pentru proba iradiată cu 5 kGy, picul maxim crește la 69,6°C și apar trei picuri endoterme separate prin deconvoluție la: 46,7°C, 60,4°C și 67,4°C. Temperatura de 45,9°C poate fi atribuită procesului de gelatinizare al colagenului.

Cu creșterea dozei de iradiere până la 60 de kGy s-a observat creșterea temperaturii de denaturare și a entalpiei de denaturare corespunzătoare. Se observă că pentru probele iradiate cu doze crescătoare până la 60 kGy, temperatura T1 asociată procesului de gelatinizare, crește cu doza, iar după iradiere cu 100 kGy, acesta scade.

Celelate picuri se deplasează spre temperaturi mai mari cu creșterea dozei de iradiere. Se observă că entalpia de decompunere crește cu doza până la 60 kGy.

Schimările conformaționle care au loc în molecula colagenului după iradiere produc o scădere a temperaturii de denaturare. Alte tipuri de transformări ale moleculei de colagen au loc prin procese de gelatinizare sau denaturare ireversibilă, prin care structura triplu-helix trece într-o structură aletorie (ghem) [181].

După cum sugerează mai mulți autori, picul endoterm de la 61,9 °C provine din tranziția structurii triplu-helix a moleculelor de colagen în structuri înfășurate aleatoriu. Legăturile de hidrogen intra și inter-moleculare, precum și legăturile de hidrogen provenite de la apă, dau stabilitate structurii triplu-helix a moleculei de colagen.

Gelurile de colagen iradiate au fost analizate și prin analiză termică simultană (TG/DSC), în domeniul de temperatură (25-500)oC.

În se prezintă curbele DSC obținute pentru colagen neiradiat și iradiat cu (2,5 – 100) kGy. Pentru evidențierea precisă a proceselor care apar, curba experimentală DSC a fost analizată prin deconvoluție și s-au observat următoarele:

în intervalul de temperatură (25 – 600)°C s-a identificat apariția a 3 picuri endoterme care au fost atribuite proceselor de deshidratare termică, denaturarea fazei de colagen cristalin, descompunere și degradare termooxidativă;

pentru colagenul neiradiat, procesul de deshidratare termică a fost identificat la ~102,3°C, cel de denaturare la ~ 207,3oC, iar cel de descompunere începe la 254,7oC și se încheie la ~322, 3°C;

picul endoterm de la ~207,3 oC se datorează degradării lanțurilor polipeptidice și evaporării apei reziduale puternic legate [194];

după iradierea colagenului cu dozele de 2,5 kGy și 5 kGy, s-a observat creșterea temperaturii de deshidratare de la 102,3°C 106,3°C 108,8°C, iar picul atribuit procesului de denaturare a colagenului de asemenea s-a deplasat de la 207,3 oC211,3oC, iar picul asociat cu descopunerea termo-oxidativă a colagenului a rămas neschimbat;

la 25 kGy temperatura de deshidratare scade ușor până la 107oC, la fel și cea de denaturare la ~ 205 oC, iar cea de descompunere crește la 277oC;

la dozele de iradiere de 50 kGy și de 100 kGy, temperatura de deshidratare scade în jurul valorii de 100,5oC, iar temperaturile de denaturare a fazei cristaline și descompunere cresc;

de regulă, dacă crește gradul de reticulare, crește și stabilitatea termică a colagenului ceea ce se evidențiază prin deplasarea procesului de denaturare spre temepraturi mai mari;

prin analizarea rezultatelor obținute se poate spune că iradierea colagenului cu doze de până la 30 kGy este sigură, fără să se producă modificarea ireversibilă a structurii triplu-helix.

Figura 9.2. Curbele DSC pentru colagen

În figura 9.3 se prezintă curbele DTG obținute pentru gel de colagen neiradiat și iradiat cu (2,5 –100) kGy. Curbele DTG au arătat două temperaturi maxime corespunzând primei și celei de-a doua etape de descompunere a colagenului:

Figura 9.3. Curbele DTG pentru gel de colagen iradiat

prima etapă este cuprinsă între (40 – 200)oC și este legată de evaporarea apei legate fizic și chimic, dar și de eliberarea de amoniac și dioxid de carbon, ca urmare a reacțiilor de dezaminare și decarboxilare care rezultă în urma procesului de reticulare;

a doua etapă începe de la aproximativ 200oC și se datorează descompunerii termo-oxidative colagenului;

pentru colagenul neiradiat, evaporarea apei are un maxim la temperatura de 102,2oC, iar procesul de descompunere are loc la 304,8oC;

pentru colagenul iradiat, nu s-au observat modificări semnificative ale picurilor DTG în funcție de doza de iradiere cu excepția celor iradiate la 50 și 100 kGy pentru care temperatura de descompunere a crescut de la 312,2oC la 314,8oC;

degradarea colagenului survenită ca urmare a expunerii la doze de iradiere foarte mari este însoțită de scăderea valorii picurilor DTG, ca urmare a pierderii de masă produsă prin scindarea lanțului macromoleuclar al colagenului în fragmente mai mici.

Stabilitatea termică a PVP-ului iradiat

În figura 9.4 se prezintă curbele DSC obținute pentru soluții apoase de PVP, 7%, neiradiate și iradiate cu doze de (2,5 – 100) kGy din care se observă:

Figura 9.4. Curba DSC pentru PVP neiradiat și iradiat în soluție

în intervalul (20–600)oC apar două procese endoterme asociate deshidratarii termice și descompunerii;

pentru soluția de PVP neiradiată, procesul de deshidratare are loc la 108,6oC cu o entalpie egală cu 309,1 J/g;

la 5 kGy scade temperatura de deshidratare la 99,5oC, iar entalpia procesului crește la 674,7 J/g;

în intervalul de doze (10–50) kGy, temperatura de deshidratare crește de la 105,2oC115,3oC, iar entalpia de asemenea crește de la 567 J/g la 620,5 J/g;

creșterea temperaturii necesare procesului de deshidratare cu aproximativ 10 grade se datorează apariției reacțiilor de reticulare intra și intermoleculare și care împiedică eliminarea apei legate, necesitând temperaturi mai mari;

la 100 de kGy, temperatura de deshidratare scade la 104,6oC, fiind mai mică decât valoarea înregistrată pentru proba neiradiată;

al doilea proces identificat în curba DSC apare la 444,5oC pentru proba neiradiată, iar cu creșterea dozei de iradiere se observă deplasarea picului spre temperaturi ușor mai mici;

la doza de 100 kGy, temperatura de descompunere, a scăzut la 434,5oC, ceea ce indică existența proceselor de degradare a moleculei de PVP la acestă doză.

În figura 9.5 se prezintă curbele DTG pentru soluțiile de PVP neiradiate și iradiate din care se observă că:

Figura 9.5. Curbele DTG pentru PVP neiradiat și iradiat

procesul de descompunere termică al PVP-ului neiradiat și iradiat are loc prin două procese;

primul proces are loc în intervalul (40 – 250)oC și este atribuit pierderii fizice a apei;

al doilea proces are loc în intervalul (350 – 550)oC și este atribuit proceselor de termo-oxidare sau de descompunere;

de la (0 –5) kGy, maximul primului proces scade de la 105oC la 95,9 oC cu o pierdere de masă de la 1,8% la 3,77 %;

de la (0 – 10) kGy, maximul primului proces scade de la 105 oC la 104,3oC, iar pierderea de masă scade la 2,74%.

de la (0 – 50) kGy maximul primului proces crește de la 105 oC la 113,5oC, iar pierderea de masă scade sub 2%;

la doza de 100 kGy, picul maxim scade la 101oC și pierderea de masă este de 3%;

pentru al doilea proces de descompunere al PVP-ului, maximul procesului a fost identificat la ~450oC, iar cu creșterea dozei de iradiere nu s-au observat deplasării semnificative ale picului.

Din evaluarea rezultatelor obținute mai sus se poate concluziona că atât colagenul, dar și PVP nu prezintă modificări importante din punct de vedere al stabilității termice la iradierea cu fascicule de electroni accelerați.

Stabilitatea termică a amestecurilor de colagen și PVP la iradiere

În figurile 9.6, 9.7 și 9.8 se prezintă curbele DSC și TG/DTG obținute prin analiză termică simultană în atmosferă de azot la o viteză de încălzire de 10 K/min pentru amestecurile de colagen și PVP iradiate în prezența aerulului.

Figura 9.6. Curbele DSC, TG/ DTG amestec de colagen-PVP iradiat cu 5 kGy

Figura 9.7. Curbele DSC și TG/DTG amestec de colagen-PVP iradiat cu 10 kGy

Figura 9.8. Curbele DSC și TG/DTG amestec de colagen-PVP iradiat cu 30 kGy

Pentru amestecurile de colagen-PVP iradiate cu doze cuprinse în intervalul (5 – 30) kGy datele DSC și TG/DTG pun în evidență o tranziție sticloasă caracteristică gelului. Temperatura caracteristică acestei tranziții crește cu doza de iradiere de la 184,3oC la 204,2oC. Celelate picuri prezente în curbele de analiză termică sunt corespunzătoare structurii colagenului și PVP-ului din structura gelului obținut prin iradiere.

Concluzii

În acest studiu s-a evaluat efectul iradierii cu EA asupra stabilității termice a colagenului, PVP-ului și a amestecurilor colagen-PVP prin analiză termică.

Iradierea colagenului cu doze de până la 30 kGy este sigură, fără să se producă modificarea ireversibilă a structurii triplu-helix, nu apar modificări nici în comportamentul termic al colagenului, respectiv al PVP-ului;

Prin iradierea amestecului de coalgen-PVP cu doze cuprinse în intervalul (5–30) kGy în urma reticulări se formează un gel care prezintă o tranziție sticloasă a cărei temperatură se deplasează spre valori mai mari cu creșterea dozei de iradiere.

CONCLUZII GENERALE

În această lucrare se prezintă rezultatele experimentale cu privire la sinteza și caracterizarea fizico-chimică a unor hidrogeluri obținute prin iradiere cu radiații ionizante.

Prin această metodă, s-au obținut mai multe rețete de hidrogeluri superabsorbante (colagen/PVP, colagen/PVP/PEO) care pot sta la baza obținerii de pansamente destinate vindecării rapide a unor leziuni cutanate.

În funcție de metoda de reticulare aleasă, de parametrii de iradiere și de compoziția amestecurilor s-au obținut hidrogeluri cu proprietăți elastice, de gonflare și morfologice diferite și în același timp cu calitate bună pentru scopul urmărit.

În cazul hidrogelului de colagen-PVP obținut cu radiații γ în absența oxigenului și fără adăugare de agenți de reticulare din analiza rezultatelor experimentale a reieșit că reacția de reticulare are loc, dar proprietățile de gonflare sau de elasticitate sunt reduse în comparație cu cele ale hidrogelurilor obținute prin iradiere cu electroni accelerați. Pentru acest sistem, utilizarea unei doze de radiație de 25 kGy care să asigure și sterilizarea produsului concomitent cu producerea reacției de reticulare, conduce la obținerea unui hidrogel mai slab din punct de vedere al proprietăților reologice. Prin iradierea sistemului de colagen-PVP cu radiații γ cu doze cuprinse în intervalul (5-50) kGy și debitul de doză de 1 kGy/h, modulul de elasticitate al acestor geluri nu a depășit valoarea de 100 Pa.

Pentru îmbunătățirea proprietăților generale ale hidrogelurilor studiile au fost continuate realizându-se mai multe amestecuri colagen/PVP, fie prin modificarea concentrației polimerilor și a raportului lor masic, fie prin modificarea procesului de iradiere și implicit a parametrilor de iradiere.

Reticularea sistemului de colagen/PVP cu fascicule de electroni accelerați a dus la obținerea unor hidrogeluri superabsorbante caracterizate de o elasticitate mult superioară celor celor obținute cu radiații γ.

Adăugarea unei cantități reduse de agent de reticulare solubil în apă, cum este N’N-metilbisacrilamida (NMBA) a crescut considerabil gradul de gonflare a hidrogelului în apă deionizată (11 000%). De asemenea, stabilitatea hidrogelurilor s-a menținut timp de 48 h în aceste condiții.

Cele mai bune proprietăți de gonflare s-au obținut în intervalul de doze (7,5 – 12,5) kGy, iar cele mai bune caracteristici reologice au fost obținute pentru hidrogelurile reticulate cu 25 kGy sau 40 kGy.

Hidrogelurile obținute cu fascicule de electroni accelerați, au un modul de elasticitate cuprins între (1800-8400) Pa, parametru reologic care constituie o caracteristică de bază în evaluarea calității unui hidrogel.

De remarcat este faptul că acest interval al modului de elasticitate este în bună aproximație corespunzător pielii umane sau al unor țesuturi moi. Spre exemplu, pielea umană are un modul de elasticitate de (500-1000) Pa, iar cel al țesuturilor moi ajunge până la 10000 Pa.

S-a stabilit că pentru obținerea unui hidrogel superabsorbant din colagen și PVP cu stabilitate demonstrată în medii similare celor fiziologice (pH = 7,4 și 37oC) mai mult de 48 de ore, un grad de gonflare peste 2000%, parametrii MC și ξ trebuie să fie cuprinși între (60 – 66) kg·mol-1, respectiv (53 – 54) nm.

Rezultatele au indicat că acești parametrii pot fi controlați și prin modificarea dozei de iradiere, dar și prin stabilirea unor concentrații adecvate ale polimerilor care alcătuiesc soluția inițială. Prin utilizarea unor concentrații crescute de polimeri (ex. colagen mai mult de 1%), (PVP mai mult de 7%) sau de agenți de reticulare (mai mult de 0,5 %) predomină reacțiile de degradare care conduc la obținerea unui hidrogel cu proprietăți mai slabe din punct de vedere elastic și care probabil vor disocia în contact cu rănile.

Reticularea cu fascicule de electroni accelerați a sistemelor de colagen/PVP și colagen/PVP/PEO în atmosferă inertă (Ar) a condus la obținerea de hidrogeluri cu un grad de reticulare crescut în comparație cu cele obținute în absența aerului, pentru care randamentele radiochimice de reticulare, au fost mari de aproximativ 5 ori.

Aceste hidrogeluri au avut un grad de gonflare de 4000% la doza de 25 kGy. Prin adăugarea unei concentrații de 0,3% PEO în compoziția acestor hidrogeluri, a scăzut gradul de gonflare, dar a crescut modulul de elasticitate până 14 000 Pa. Acești parametri sunt dependenți de doza de iradiere. Hidrogelurile obținute în atmosferă inertă au fost stabile atât în apă deionizată, cât și în medii cu pH cuprins în intervalul (5,4 – 9,4). Domeniul de pH recomandat se alege astfel încât să se verifice stabilitatea acestor geluri în condiții de piele sănătoasă sau rană infectată.

Studiile de difuzie în apă deionizată și medii cu pH diferit au arătat că toate hidrogelurile prezintă o comportare ne-Fickiană, care este specifică hidrogelurilor reticulate. Cu cât gradul de reticulare este mai mare, difuzia scade corespunzător și are loc în două etape.

Adăugarea de PEO (polimer netoxic) și care induce elasticitate în compoziția hidrogelurilor a îmbunătățit difuzia atât în apă deionizată, dar și în soluții cu pH diferit.

Așa cum era de așteptat, parametrii MC și ξ au scăzut cu creșterea dozei de iradiere, iar densitatea de reticulare a crescut. Valorile acestor parametrii sunt utilizate pentru optimizarea proprietăților hidrogelurilor cu aplicații speciale de eliberare controlată a medicamentelor.

Caracteristicile reologice obținute pentru aceste hidrogeluri, similare cu cele ale țesuturilor moi, fac posibilă utilizarea acestora în domeniuul modern al ingineriei tisulare.Pentru hidrogelurile preparate și caracterizate, în teză s-a urmărit optimizarea randamentului de reticulare concomitent cu sterilizarea produsului, optimizarea proprietăților elastice și a stabilității în medii fiziologice prin adăugare de PEO în concentrații cuprinse în intervalul (0,1 – 1)%. S-a concluzionat că predomină reacția de reticulare pentru o concentrație de PEO cuprinsă în intervalul (0,2 –0,5)%.

Studierea efectului concentrației de PEO asupra modulului de elasticitate a arăta că concentrația de 0,35% PEO este optimă pentru creșterea elasticității hidrogelului, conducând la un modul de 16 000 Pa.

Datele obținute în teză au arătat că hidrogelurile se pot obține atât în vid cât și în atmosferă inert, ceea ce implică costuri diferite de fabricație, dar și raport între procesele de reticulare și cele de degradare.

S-a stabilit că operațiile: de centrifugare, degazare și vidare înainte de iradiere sunt suficiente pentru a obține un hidrogel cu proprietăți controlate.

Pentru sistemele studiate din punct de vedere termic, în întervalul de doze (5 –30) kGy nu se înregistrează modificări față de sistemele neiradiate.

Studiile întreprinse în teză pe lângă importanța științifică au și o implicare în îmbunătățirea calității vieții prin aportul adus în obținerea unor produse calitative care pot fi utilizate ca pansamente simple sau care înglobează diverse principii active necesare vindecării rapide a unor afecțiuni cutanate.

Bibliografie

[1] A.S. Hoffman, Hydrogels for biomedical applications, Advanced Drug Delivery Reviews 43 (2002) 3-12.

[2] S. Thakur, V.K. Thakur, O.A. Arotiba, History, Classification, Properties and Application of Hydrogels: An Overview, Gels Horizons: From Science to Smart Materials, Springer Singapore, Singapore, 2018, pp. 29-50.

[3] A. Danno, Gel Formation of Aqueous Solution of Polyvinyl Alcohol Irradiated by Gamma Rays from Cobalt-60, Journal of the Physical Society of Japan 13(7) (1958) 722-727.

[4] Y. Ikada, T. Mita, F. Horii, I. Sakurada, M. Hatada, Preparation of Hydrogels by Radiation Technique, Radiation Physics and Chemistry 9(4-6) (1977) 633-645.

[5] A. Pich, W. Richtering, Chemical Design of Responsive Microgels, Springer-Verlag, Berlin, 2010.

[6] S.J. Buwalda, K.W.M. Boere, P.J. Dijkstra, J. Feijen, T. Vermonden, W.E. Hennink, Hydrogels in a historical perspective: From simple networks to smart materials, Journal of Controlled Release 190 (2014) 254-273.

[7] I. Sakurada, Y. Ikada, Effects of Gamma Radiation on Polymer in Solution. (IV): Crosslinking and Degradation of Poly (Acrylic Acid) in Aqueous Solution, Bulletin of the Institute for Chemical Research, Kyoto University 41(1) (1963) 103-113.

[8] I. Kaetsu, Immobilization of Biofunctional Substances, Radiation Physics and Chemistry 18(1-2) (1981) 343-356.

[9] I. Kaetsu, Recent progress on the immobilization of biocomponent by radiation polymerization and the application to biomedical uses, Radiation Physics and Chemistry 25(4) (1985) 517-528.

[10] A.S. Hoffman, A review of the use of radiation plus chemical and biochemical processing treatments to prepare novel biomaterials, Radiation Physics and Chemistry 18(1) (1981) 323-342.

[11] J. Rosiak, A. Rucinska-Rybus, W. Pekala, Method of manufacturing hydrogel dressings, Politechnika Lodzka, U.S. Patent 4871490 (1989).

[12] N.A. Peppas, A.S. Hoffman, Chapter I.2.5 – Hydrogels, Biomaterials Science (Third Edition), Academic Press2013, pp. 166-179.

[13] J.M. Rosiak, F. Yoshii, Hydrogels and their medical applications, Nuclear Instruments Methods Physics Research B 151 (1999) 56-64.

[14] E.M. Ahmed, Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review, Journal of Advanced Research 6(2) (2015) 105-121.

[15] J.M. Rosiak, I. Janik, S. Kadlubowski, M. Kozicki, P. Kujawa, P. Stasica, P. Ulanski, Radiation formation of hydrogels for biomedical application, Radiation synthesis and modification of polymers for biomedical applications, IAEA-TECDOC-1324, Vienna, 2002.

[16] A. Datta, Characterization of polyethylene glycol hydrogels for biomedical applications, Chemical Engineering, Master Thesis, Louisana State University and Agricultural and Mechanical College., 2007, p. Master Thesis.

[17] E. Calo, V.V. Khutoryanskiy, Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products, European Polymer Journal 65 (2015) 252-267.

[18] M.S.-M.M. Mostafavi, T. Douki, J. Belloni, Radiation Chemistry: From Basics to Applications in Material and Life Science, EDP Science.

[19] M. Eid, M.B. El-Arnaouty, M. Salah, E.-S. Soliman, E.-S.A. Hegazy, Radiation synthesis and characterization of poly(vinyl alcohol)/poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) based hydrogels containing silver nanoparticles, Journal of Polymer Research 19(3) (2012) 9835.

[20] S.K.H. Gulrez, S. Al-Assaf, G.O. Phillips, Hydrogels: Methods of Preparation, Characterisation and Applications, in: P.A. Carpi (Ed.) Progress in Molecular and Environmental Bioengineering – From Analysis and Modeling to Technology Applications, InTech, 2011.

[21] J.M. Rosiak, P. Ulański, L.A. Pajewski, F. Yoshii, K. Makuuchi, Radiation formation of hydrogels for biomedical purposes. Some remarks and comments, Radiation Physics and Chemistry 46(2) (1995) 161-168.

[22] W.A.P. Calvo, C.L. Duarte, L.D.B. Machado, J.E. Manzoli, A.B.C. Geraldo, Y. Kodama, L.G.A. Silva, E.S. Pino, E.S.R. Somessari, C.G. Silveira, P.R. Rela, Electron beam accelerators-trends in radiation processing technology for industrial and environmental applications in Latin America and the Caribbean, Radiation Physics and Chemistry 81(8) (2012) 1276-1281.

[23] J.M. Rosiak, P. Ulanski, Synthesis of hydrogels by irradiation of polymers in aqueous solution, Radiation Physics and Chemistry 55(2) (1999) 139-151.

[24] M. Sen, E.N. Avci, Radiation synthesis of poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)-kappa-carrageenan hydrogels and their use in wound dressing applications. I. Preliminary laboratory tests, Journal of Biomedical Materials Research Part A 74A(2) (2005) 187-196.

[25] S. Benamer, M. Mahlous, A. Boukrif, B. Mansouri, S.L. Youcef, Synthesis and characterisation of hydrogels based on poly(vinyl pyrrolidone), Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 248(2) (2006) 284-290.

[26] D. Darwis, N. Hilmy, L. Hardiningsih, T. Erlinda, Poly(N-vinylpyrrolidone) hydrogels: 1.Radiation polymerization and crosslinking of N-vinylpyrrolidone, Radiation Physics and Chemistry 42(4) (1993) 907-910.

[27] H.K. Can, Synthesis of persulfate containing poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) (PVP) hydrogels in aqueous solutions by gamma-induced radiation, Radiation Physics and Chemistry 72(6) (2005) 703-710.

[28] C. Ozyurek, T. Caykara, O. Kantoglu, O. Güven, Radiation synthesis of poly(N-vinyl-2-pyrrolidone-g-tartaric acid) hydrogels and their swelling behaviors, Polymers for Advanced Technologies 13(2) (2002) 87-93.

[29] N.C. Dafader, M.E. Haque, F. Akhtar, Synthesis of hydrogel from aqueous solution of poly(vinyl pyrrolidone) with agar by gamma-rays irradiation, Polymer-Plastics Technology and Engineering 44(2) (2005) 243-251.

[30] S.A. Dergunov, I.K. Nam, G.A. Mun, Z.S. Nurkeeva, E.M. Shaikhutdinov, Radiation synthesis and characterization of stimuli-sensitive chitosan–polyvinyl pyrrolidone hydrogels, Radiation Physics and Chemistry 72(5) (2005) 619-623.

[31] S.A. Dergunov, G.A. Mun, γ-irradiated chitosan-polyvinyl pyrrolidone hydrogels as pH-sensitive protein delivery system, Radiation Physics and Chemistry 78(1) (2009) 65-68.

[32] K. Sohail, I.U. Khan, Y. Shahzad, T. Hussain, N.M. Ranjha, pH-sensitive polyvinylpyrrolidone-acrylic acid hydrogels: Impact of material parameters on swelling and drug release, Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences 50(1) (2014) 173-184.

[33] S.G. Abd Alla, H.M. Nizam El-Din, A.W.M. El-Naggar, Structure and swelling-release behaviour of poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) and acrylic acid (AAc) copolymer hydrogels prepared by gamma irradiation, Eur. Polym. J. 43(7) (2007) 2987-2998.

[34] R. Gottlieb, T. Schmidt, K.-F. Arndt, Synthesis of temperature-sensitive hydrogel blends by high-energy irradiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 236(1) (2005) 371-376.

[35] A. Awadallah-F, Five years in vitro study of (poly vinyl alcohol/poly vinyl pyrrolidone/poly acrylic acid) hydrogel to mimic the knee joint meniscus, Polymers for Advanced Technologies 25(5) (2014) 581-587.

[36] M.T. Razzak, Zainuddin, Erizal, S.P. Dewi, H. Lely, E. Taty, Sukirno, The characterization of dressing component materials and radiation formation of PVA-PVP hydrogel, Radiation Physics and Chemistry 55(2) (1999) 153-165.

[37] N. Hilmy, D. Darwis, L. Hardiningsih, Poly(N-Vinylpyrrolidone) Hydrogels .2. Hydrogel Composites as Wound Dressing for Tropical Environment, Radiation Physics and Chemistry 42(4-6) (1993) 911-914.

[38] A.B. Lugao, S.O. Rogero, S.M. Malmonge, Rheological behaviour of irradiated wound dressing poly(vinyl pyrrolidone) hydrogels, Radiation Physics and Chemistry 63(3-6) (2002) 543-546.

[39] M. Wang, L. Xu, H. Hu, M. Zhai, J. Peng, Y. Nho, J. Li, G. Wei, Radiation synthesis of PVP/CMC hydrogels as wound dressing, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 265(1) (2007) 385-389.

[40] K.R. Park, Y.C. Nho, Preparation and characterization by radiation of hydrogels of PVA and PVP containing Aloe vera, Journal of Applied Polymer Science 91(3) (2004) 1612-1618.

[41] Y.C. Nho, K.R. Park, Preparation and properties of PVA/PVP hydrogels containing chitosan by radiation, Journal of Applied Polymer Science 85(8) (2002) 1787-1794.

[42] R. Singh, D. Singh, Radiation synthesis of PVP/alginate hydrogel containing nanosilver as wound dressing, Journal of Materials Science-Materials in Medicine 23(11) (2012) 2649-2658.

[43] H.A. Abd El-Rehim, E.A. Hegazy, F.H. Khalil, N.A. Hamed, Radiation preparation of drug carriers based polyacrylic acid (PAAc) using poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) as a template polymer, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 254(1) (2007) 105-112.

[44] S. Kadlubowski, A. Henke, P. Ulanski, J.M. Rosiak, Hydrogels of polyvinylpyrrolidone (PVP) and poly(acrylic acid) (PAA) synthesized by radiation-induced crosslinking of homopolymers, Radiation Physics and Chemistry 79(3) (2010) 261-266.

[45] L. Zhao, H. Mitomo, F. Yoshii, Synthesis of pH-sensitive and biodegradable CM-cellulose/chitosan polyampholytic hydrogels with electron beam irradiation, Journal of Bioactive and Compatible Polymers 23(4) (2008) 319-333.

[46] B. Fei, R.A. Wach, H. Mitomo, F. Yoshii, T. Kume, Hydrogel of biodegradable cellulose derivatives. I. Radiation-induced crosslinking of CMC, Journal of Applied Polymer Science 78(2) (2000) 278-283.

[47] P.F. Liu, M.L. Zhai, J.Q. Li, J. Peng, J.L. Wu, Radiation preparation and swelling behavior of sodium carboxymethyl cellulose hydrogels, Radiation Physics and Chemistry 63(3-6) (2002) 525-528.

[48] S.M. Ibrahim, K.M. El Salmawi, A.H. Zahran, Synthesis of crosslinked superabsorbent carboxymethyl cellulose/acrylamide hydrogels through electron-beam irradiation, Journal of Applied Polymer Science 104(3) (2007) 2003-2008.

[49] K. Hemvichian, A. Chanthawong, P. Suwanmala, Synthesis and characterization of superabsorbent polymer prepared by radiation-induced graft copolymerization of acrylamide onto carboxymethyl cellulose for controlled release of agrochemicals, Radiation Physics and Chemistry 103(Supplement C) (2014) 167-171.

[50] H.M. Said, S.G.A. Abd Alla, A.W.M. El-Naggar, Synthesis and characterization of novel gels based on carboxymethyl cellulose/acrylic acid prepared by electron beam irradiation, Reactive & Functional Polymers 61(3) (2004) 397-404.

[51] A.W.M. El-Naggar, S.G.A. Alla, H.M. Said, Temperature and pH responsive behaviours of CMC/AAc hydrogels prepared by electron beam irradiation, Materials Chemistry and Physics 95(1) (2006) 158-163.

[52] T. Fekete, J. Borsa, E. Takács, L. Wojnárovits, Synthesis of carboxymethylcellulose/acrylic acid hydrogels with superabsorbent properties by radiation-initiated crosslinking, Radiation Physics and Chemistry 124 (2016) 135-139.

[53] T. Fekete, J. Borsa, E. Takács, L. Wojnárovits, Synthesis of cellulose derivative based superabsorbent hydrogels by radiation induced crosslinking, Cellulose 21(6) (2014) 4157-4165.

[54] F. Yoshii, L. Zhao, R.A. Wach, N. Nagasawa, H. Mitomo, T. Kume, Hydrogels of polysaccharide derivatives crosslinked with irradiation at paste-like condition, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms 208 (2003) 320-324.

[55] H.M.N. El-Din, A.W.M. El-Naggar, F.I. Abu-El Fadle, Radiation Synthesis of pH-Sensitive Hydrogels From Carboxymethyl Cellulose/Poly(ethylene Oxide) Blends as Drug Delivery Systems, International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials 62(13) (2013) 711-718.

[56] Y. Sung, T.H. Kim, B. Lee, Syntheses of carboxymethylcellulose/graphene nanocomposite superabsorbent hydrogels with improved gel properties using electron beam radiation, Macromolecular Research 24(2) (2016) 143-151.

[57] A.E.H. Ali, H.A.A. El-Rehim, H. Kamal, D.E.S.A. Hegazy, Synthesis of carboxymethyl cellulose based drug carrier hydrogel using ionizing radiation for possible use as site specific delivery system, Journal of Macromolecular Science Part a-Pure and Applied Chemistry 45(8) (2008) 628-634.

[58] T. Fekete, J. Borsa, E. Takacs, L. Wojnarovits, Synthesis of carboxymethylcellulose/starch superabsorbent hydrogels by gamma-irradiation, Chemistry Central Journal 11 (2017).

[59] S. Dumitriu, Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility, Marcel Dekker, New York 2005.

[60] F. Sarwat, S.A. Qader, A. Aman, N. Ahmed, Production & Characterization of a Unique Dextran from an Indigenous Leuconostoc mesenteroides CMG713, International Journal of Biological Sciences 4(6) (2008) 379-386.

[61] K. Szafulera, R.A. Wach, A.K. Olejnik, J.M. Rosiak, P. Ulański, Radiation synthesis of biocompatible hydrogels of dextran methacrylate, Radiation Physics and Chemistry 142 (2018) 115-120.

[62] J.F. Almeida, P. Ferreira, P. Alves, A. Lopes, M.H. Gil, Synthesis of a dextran based thermo-sensitive drug delivery system by gamma irradiation, International Journal of Biological Macromolecules 61 (2013) 150-155.

[63] V. Trandafir, G. Popescu, G.M. Albu, H. Iovu, M. Georgescu, Bioproduse pe baza de colagen, Universitatea din București – Editura „Ars Docendi“, Bucharest, 2007.

[64] M. Koide, K. Osaki, J. Konishi, K. Oyamada, T. Katakura, A. Takahashi, K. Yoshizato, A New Type of Biomaterial for Artificial Skin – Dehydrothermally Cross-Linked Composites of Fibrillar and Denatured Collagens, Journal of Biomedical Materials Research 27(1) (1993) 79-87.

[65] R.R. Perron, B.A. Wright, Alteration of collagen structure by irradiation with electrons, Nature 166 (1950) 863-864.

[66] J.H. Bowes, J.A. Moss, The effect of gamma radiation on collagen, Radiation Research 16 (1962) 211-223.

[67] N. Inoue, M. Bessho, M. Furuta, T. Kojima, S. Okuda, M. Hara, A novel collagen hydrogel cross-linked by gamma-ray irradiation in acidic pH conditions, Journal of Biomaterials Science-Polymer Edition 17(8) (2006) 837-858.

[68] B. Jiang, Z.H. Wu, H.C. Zhao, F.Y. Tang, J. Lu, Q.R. Wei, X.D. Zhang, Electron beam irradiation modification of collagen membrane, Biomaterials 27(1) (2006) 15-23.

[69] J. Silverman, Basic Concepts of Radiation Processing, Radiation Physics and Chemistry 9(1-3) (1977) 1-15.

[70] I. Asimov, D.F. Bach, Atom: Journey Across the Subatomic Cosmos, Dutton Adult1992.

[71] A.J. Berejka, M.R. Cleland, M. Walo, The evolution of and challenges for industrial radiation processing-2012, Radiation Physics and Chemistry 94 (2014) 141-146.

[72] A. Charlesby, Cross-Linking of Polythene by Pile Radiation, Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 215 (1952) 187-214.

[73] R.J. Woods, Radiation processing: Current status and future possibilities, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 243(1) (2000) 255-260.

[74] Y. Sun, A.G. Chmielewski, Applications of ionizing radiation in materials processing, Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warszawa, 2017.

[75] BIPM, The International System of Units (SI), 8th ed., Paris, 2006.

[76] B.J. Parsons, 3 – Sterilisation of healthcare products by ionising radiation: principles and standards, Sterilisation of healthcare products by ionising radiation, Woodhead Publishing Series in Biomaterials2012.

[77] K. Makuuchi, S. Cheng, Basic Concepts of Radiation Processing, Radiation Processing of Polymer Materials and its Industrial Applications, John Wiley & Sons, Inc.2012, pp. 1-25.

[78] R.J. Woods, A.K. Pikaev, Applied Radiation Chemistry: Radiation Processing, John Wiley & Sons, Inc.,, New York, 1993.

[79] J.G. Drobny, Ionizing Radiation and Polymers:Principles, Technology and Applications Elsevier Inc., Oxford, 2013.

[80] O. Guven, Crosslinking and Scission in Polymers, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1990.

[81] F. Cataldo, O. Ursini, E. Lilla, G. Angelini, Radiation-induced crosslinking of collagen gelatin into a stable hydrogel, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 275(1) (2008) 125-131.

[82] G. Spadaro, S. Alessi, C. Dispenza, Ionizing radiation-induced crosslinking and degradation of polymers, Applications of ionizing radiation in materials processing, Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsawa, 2017.

[83] O. Güven, An overview of current developments in applied radiation chemistry of polymers, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2004.

[84] D. Darwis, E.B. Abbas, F. Nurlidar, D.P. Putra, Radiation Processing of Polymers for Medical and Pharmaceutical Applications, Macromolecular Symposia 353(1) (2015) 15-23.

[85] IAEA-TECDOC-1386, Emerging applications of radiation processing, 2004.

[86] I. Kaluska, V. T.Lazurik, V.M. Lazurik, G. F.Popov, Yu.V.Rogov, Z. Zimek, Comparison of dose distribution prediction in targets irradiated by electron beams with dosimetry, Proceedings of EPAC (2004).

[87] R.B. Miller, Electronic irradiation of foods: an introduction to the technology, Springer Science+Business Media Inc., New York, 2005

[88] K. Makuuchi, S. Cheng, Radiation Processing of Polymer Materials and its Industrial Applications, John Wiley & Sons Inc., New Jersey, 2011.

[89] ISO/ASTM51538, Standard Practice for Use of the Ethanol-Chlorobenzene Dosimetry System, (2017).

[90] ISO/ASTM51275, Standard Practice for Use of a Radiochromic Film Dosimetry System, (2013).

[91] ISO/ASTM51401, Practice for use of a dichromate dosimetry system, (2013).

[92] ISO/ASTM51205, Standard Practice for Use of a Ceric-Cerous Sulfate Dosimetry System, (2017).

[93] ISO/ASTM51607, Practice for use of the alanine-EPR dosimetry system, (2013).

[94] ISO/ASTM51631, Standard Practice for Use of Calorimetric Dosimetry Systems for Electron Beam Dose Measurements and Routine Dosimeter Calibration, 2013.

[95] A. Miller, W. Batsberg, W. Karman, A New Radiochromic Thin-Film Dosimeter System, Radiation Physics and Chemistry 31(4-6) (1988) 491-496.

[96] C. Artandi, A. Stonehill, Polyvinyl chloride: New high-level dosimeter, Nucleonics 16(5) (1958) 118–120.

[97] N.W. Holm, R.J. Berry, Manual on radiation dosimetry, Marcel Dekker Inc., New York, 1970.

[98] J. Helt-Hansen, A. Miller, RisoScan – a new dosimetry software, Radiation Physics and Chemistry 71(1-2) (2004) 361-364.

[99] J. Helt-Hansen, A. Miller, Assessment of dose measurement uncertainty using RisoScan, Radiation Physics and Chemistry 75(9) (2006) 1101-1106.

[100] A. Kovacs, Ideal dosimetry system: dosimetry systems in current use, Materials of the Regional Training Course on Validation and Process Control for Electron Beam Radiation Processing, Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Poland, 2007.

[101] A. Datta, Characterization of polyethylene glycol hydrogels for biomedical applications, 2007.

[102] K. Park, T. Okano, Biomedical Applications of Hydrogels Handbook, Springer Science+Business Media, LLC, New York, 2010.

[103] N.A. Peppas, Y. Huang, M. Torres-Lugo, J.H. Ward, J. Zhang, Physicochemical, foundations and structural design of hydrogels in medicine and biology, Annual Review of Biomedical Engineering 2 (2000) 9-29.

[104] N.A. Peppas, P. Buresa, W. Leobandunga, H. Ichikawa, Hydrogels in pharmaceutical formulations, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 50 (2000) 27-46.

[105] J.E. Mark, Physical Properties of Polymers Handbook, AIP Press, New York, 1996.

[106] N.A. Peppas, J.Z. Hilt, A. Khademhosseini, R. Langer, Hydrogels in biology and medicine: From molecular principles to bionanotechnology, Advanced Materials 18(11) (2006) 1345-1360.

[107] T. Katayama, M. Nakauma, S. Todoriki, G.O. Phillips, M. Tada, Radiation-induced polymerization of gum arabic (Acacia senegal) in aqueous solution, Food Hydrocolloids 20(7) (2006) 983-989.

[108] N. Nagasawa, T. Yagi, T. Kume, F. Yoshii, Radiation crosslinking of carboxymethyl starch, Carbohydrate Polymers 58 (2004) 109-113.

[109] J.G. Drobny, Ionizing Radiation and Polymers: Principles, Technology, and Applications, Elsevier Inc., Oxford, 2013.

[110] IAEA-TECDOC-1324, Radiation synthesis and modification of polymers for biomedical applications, http://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1324_web.pdf., 2003.

[111] J. Olejniczak, J. Rosiak, A. Charlesby, Gel/dose curves for polymers undergoing simultaneous cross-linking and scission, International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry 38(1) (1991) 113-118.

[112] O. Saito, H.Y. Kang, M. Dole, Theory of Gel—Dose Curves for Polymers Undergoing Simultaneous Crosslinking and Scission, The Journal of Chemical Physics 46(9) (1967) 3607-3616.

[113] W.W. Graessley, Polymeric Liquids & Networks:Structure and Properties, Garland Science, New York, 2003.

[114] M. Dole, The Radiation Chemistry of Macromolecules, Academic Press, New York and London, 1972.

[115] A. Knoesen, I. Rocha-Mendoza, D.R. Yankelevich, M. Wang, K.M. Reiser, C.W. Frank, Sum frequency vibrational spectroscopy: The molecular origins of the optical second-order nonlinearity of collagen, Biophysical Journal 93(12) (2007) 4433-4444.

[116] J. Kroupova, D. Horak, J. Pachernik, P. Dvorak, M. Slouf, Functional polymer hydrogels for embryonic stem cell support, Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials 76B(2) (2006) 315-325.

[117] J. Rosiak, J. Olejniczak, A. Charlesby, Determination of the radiation yield of hydrogels crosslinking, International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry 32(5) (1988) 691-694.

[118] D. Caccavo, S. Cascone, G. Lamberti, A.A. Barba, Hydrogels: experimental characterization and mathematical modelling of their mechanical and diffusive behaviour, Chemical Society Reviews 47(7) (2018) 2357-2373.

[119] Y. Wu, Y. Hirai, Y. Tsunobuchi, H. Tokoro, H. Eimura, M. Yoshio, S. Ohkoshi, T. Kato, Supramolecular approach to the formation of magneto-active physical gels, Chemical Science 3(10) (2012) 3007-3010.

[120] G.C. Yu, X.Z. Yan, C.Y. Han, F.H. Huang, Characterization of supramolecular gels, Chemical Society Reviews 42(16) (2013) 6697-6722.

[121] P.L. Ritger, N.A. Peppas, A simple equation for description of solute release I. Fickian and non-fickian release from non-swellable devices in the form of slabs, spheres, cylinders or discs, Journal of Controlled Release 5 (1987) 23-36

[122] TA384, Thermal Analysis to Determine Various Forms of Water Present in Hydrogels, Thermal Analysis Instruments.

[123] H. Yoshida, T. Hatakeyama, H. Hatakeyama, Characterization of Water in Polysaccharide Hydrogels by Dsc, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 40(2) (1993) 483-489.

[124] A.G. Rusu, M.I. Popa, G. Lisa, L. Verestiuc, Thermal behavior of hydrophobically modified hydrogels using TGA/FTIR/MS analysis technique, Thermochimica Acta 613 (2015) 28-40.

[125] M.O.M. Piepenbrock, G.O. Lloyd, N. Clarke, J.W. Steed, Metal- and Anion-Binding Supramolecular Gels, Chemical Reviews 110(4) (2010) 1960-2004.

[126] M.M. Zhang, D.H. Xu, X.Z. Yan, J.Z. Chen, S.Y. Dong, B. Zheng, F.H. Huang, Self-Healing Supramolecular Gels Formed by Crown Ether Based Host-Guest Interactions, Angewandte Chemie-International Edition 51(28) (2012) 7011-7015.

[127] M. Sen, H. Hayrabolulu, Radiation synthesis and characterisation of the network structure of natural/synthetic double-network superabsorbent polymers, Radiation Physics and Chemistry 81(9) (2012) 1378-1382.

[128] J.D. Ferry, Viscoelastic properties of polymers, 1980.

[129] K. Pal, A.K. Banthia, D.K. Majumdar, Polymeric Hydrogels: Characterization and Biomedical Applications, Designed Monomers and Polymers 12(3) (2009) 197-220.

[130] R. Geitner, S. Gotz, R. Stach, M. Siegmann, P. Krebs, S. Zechel, K. Schreyer, A. Winter, M.D. Hager, U.S. Schubert, S. Grafe, B. Dietzek, B. Mizaikoff, M. Schmitt, J. Popp, Hydrogel-Embedded Model Photocatalytic System Investigated by Raman and IR Spectroscopy Assisted by Density Functional Theory Calculations and Two-Dimensional Correlation Analysis, Journal of Physical Chemistry A 122(10) (2018) 2677-2687.

[131] M.N. Olejniczak, M. Kozanecki, J. Saramak, M. Matusiak, S. Kadlubowski, K. Matyjaszewski, Raman spectroscopy study on influence of network architecture on hydration of poly(2-(2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate) hydrogels, Journal of Raman Spectroscopy 48(3) (2017) 465-473.

[132] A.H. Karoyo, L.D. Wilson, Physicochemical Properties and the Gelation Process of Supramolecular Hydrogels: A Review, Gels 3 (2017) 1-18.

[133] J.H. Jung, G. John, M. Masuda, K. Yoshida, S. Shinkai, T. Shimizu, Self-assembly of a sugar-based gelator in water: Its remarkable diversity in gelation ability and aggregate structure, Langmuir 17(23) (2001) 7229-7232.

[134] E. Karadag, O.B. Uzum, D. Saraydin, Swelling equilibria and dye adsorption studies of chemically crosslinked superabsorbent acrylamide/maleic acid hydrogels, European Polymer Journal 38(11) (2002) 2133-2141.

[135] E. Karadag, D. Saraydin, O. Guven, Influence of some crosslinkers pn the swelling of acrylamide-crotonic acid hdrogels, Turkish Journal of Chemistry 21 (1997) 151-161.

[136] J. Silverman, Radiation Processing – the Industrial Applications of Radiation-Chemistry, Journal of Chemical Education 58(2) (1981) 168-173.

[137] IAEA, Gamma irradiators for radiation processing, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2005.

[138] W.L. McLaughlin, A. Miller, S. Fidan, K. Pejtersen, W. Batsberg Pedersen, Radiochromic plastic films for accurate measurement of radiation absorbed dose and dose distributions, Radiation Physics and Chemistry 10(2) (1977) 119-127.

[139] L.R.G. Treloar, The Physics of Rubber Elasticity, Oxford University Press Inc., New York, 2005.

[140] J.C. Bray, E.W. Merrill, Poly(vinyl alcohol) hydrogels. Formation by electron beam irradiation of aqueous solutions and subsequent crystallization, Journal of Applied Polymer Science 17(12) (1973) 3779-3794.

[141] N.A. Peppas, E.W. Merrill, Poly(vinyl alcohol) hydrogels: Reinforcement of radiation-crosslinked networks by crystallization, Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition 14(2) (1976) 441-457.

[142] A. Cao, Y.L. Tang, Y. Liu, H.X. Yuan, L.B. Liu, A strategy for antimicrobial regulation based on fluorescent conjugated oligomer-DNA hybrid hydrogels, Chemical Communications 49(49) (2013) 5574-5576.

[143] T. Su, D. Zhang, Z. Tang, Q. Wu, Q.G. Wang, HRP-mediated polymerization forms tough nanocomposite hydrogels with high biocatalytic performance, Chemical Communications 49(73) (2013) 8033-8035.

[144] J. Davis, D. Sangster, E. Senogles, Pulse radiolysis of aqueous solutions of N-Vinylpyrrolidin-2-one and Poly(N-vinylpyrrolidin-2-one), Australian Journal of Chemistry 34(7) (1981) 1423-1431.

[145] J. Rosiak, J. Olejniczak, W. Pȩkala, Fast reaction of irradiated polymers—I. Crosslinking and degradation of polyvinylpyrrolidone, International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry 36(6) (1990) 747-755.

[146] J.C. An, A. Weaver, B. Kim, A. Barkatt, D. Poster, W.N. Vreeland, J. Silverman, M. Al-Sheikhly, Radiation-induced synthesis of poly(vinylpyrrolidone) nanogel, Polymer 52(25) (2011) 5746-5755.

[147] M.A. Sabatino, D. Bulone, M. Veres, A. Spinella, G. Spadaro, C. Dispenza, Structure of e-beam sculptured poly(N-vinylpyrrolidone) networks across different length-scales, from macro to nano, Polymer 54(1) (2013) 54-64.

[148] N. Inoue, M. Bessho, M. Furuta, T. Kojima, S. Okuda, M. Hara, A novel collagen hydrogel cross-linked by gamma-ray irradiation in acidic pH conditions, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 17(8) (2006) 837-858.

[149] X.M. Zhang, L. Xu, X. Huang, S.C. Wei, M.L. Zhai, Structural study and preliminary biological evaluation on the collagen hydrogel crosslinked by gamma-irradiation, Journal of Biomedical Materials Research Part A 100A(11) (2012) 2960-2969.

[150] Y.Q. Zhang, X.M. Zhang, L. Xu, S.C. Wei, M.L. Zhai, Radiation cross-linked collagen/dextran dermal scaffolds: effects of dextran on cross-linking and degradation, Journal of Biomaterials Science-Polymer Edition 26(3) (2015) 162-180.

[151] D.J.T. Hill, M.C.H. Lim, A.K. Whittaker, Water diffusion in hydroxyethyl methacrylate (HEMA)-based hydrogels formed by γ-radiolysis, Polymer International 48(10) (1999) 1046-1052.

[152] V.V. Krongauz, Diffusion in polymers dependence on crosslink density, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 102(2) (2010) 435-445.

[153] P.D. Dalton, T.V. Chirila, Y. Hong, A. Jeffersonb, Oscillatory shear experiments as criteria for potential vitreous substitutes Polymer Gels and Networks 3 (1995) 429-444.

[154] A. Sionkowska, Interaction of collagen and poly(vinyl pyrrolidone) in blends, European Polymer Journal 39(11) (2003) 2135-2140.

[155] E.S. Rabotyagova, P. Cebe, D.L. Kaplan, Collagen structural hierarchy and susceptibility to degradation by ultraviolet radiation, Materials Science & Engineering C-Biomimetic and Supramolecular Systems 28(8) (2008) 1420-1429.

[156] B.D. Vidal, M.L.S. Mello, Collagen type I amide I band infrared spectroscopy, Micron 42(3) (2011) 283-289.

[157] Z.S. Silva, S.B. Botta, P.A. Ana, C.M. Franca, K.P.S. Fernandes, R.A. Mesquita-Ferrari, A. Deana, S.K. Bussadori, Effect of papain-based gel on type I collagen – spectroscopy applied for microstructural analysis, Scientific Reports 5 (2015).

[158] M. Barsbay, A. Guner, Miscibility of dextran and poly(ethylene glycol) in solid state: Effect of the solvent choice, Carbohydrate Polymers 69(2) (2007) 214-223.

[159] S.D. Figueiro, M.C. Goes, R.A. Moreira, A.S.B. Sombra, On the physico-chemical and dielectric properties of glutaraldehyde crosslinked galactomannan-collagen films, Carbohydr. Polym. 56(3) (2004) 313-320.

[160] G. Leyva-Gomez, E. Lima, G. Krotzsch, R. Pacheco-Marin, N. Rodriguez-Fuentes, D. Quintanar-Guerrero, E. Krotzsch, Physicochemical and Functional Characterization of the Collagen-Polyvinylpyrrolidone Copolymer, Journal of Physical Chemistry B 118(31) (2014) 9272-9283.

[161] C.S. Tsai, Biomacromolecules: Introduction to Structure, Function and Informatics, John Wiley & Sons. Inc., New Jersey, 2007.

[162] ISO/ASTM51631, Practice for use of calorimetric dosimetry systems for electron beam dose measurements and dosimetery system calibrations, Practice for use of calorimetric dosimetry systems for electron beam dose measurements and dosimetery system calibrations (2013).

[163] W. Mozalewska, R. Czechowska-Biskup, A.K. Olejnik, R.A. Wach, P. Ulanski, J.M. Rosiak, Chitosan-containing hydrogel wound dressings prepared by radiation technique, Radiation Physics and Chemistry 134 (2017) 1-7.

[164] M. Demeter, M. Virgolici, C. Vancea, A. Scarisoreanu, M.G.A. Kaya, V. Meltzer, Network structure studies on γ–irradiated collagen–PVP superabsorbent hydrogels, Radiation Physics and Chemistry 131 (2017) 51-59.

[165] N. Roy, N. Saha, T. Kitano, P.S. Roy, N. Saha, P.S. Takeshi Kitano, Novel Hydrogels of PVP–CMC and Their Swelling Effect on Viscoelastic Properties, Journal of Applied Polymer Science 117 (2010) 1703–1710.

[166] T. Mezger, The Rheology Handbook: For Users of Rotational and Oscillatory Rheometers, Vincentz Network, Hannover, 2002.

[167] K.S. Anseth, C.N. Bowman, L. Brannon Peppas, Mechanical properties of hydrogels and their experimental determination, Biomaterials 17(17) (1996) 1647-1657.

[168] M. Ricca, V. Fodera, D. Giacomazza, M. Leone, G. Spadaro, C. Dispenza, Probing the internal environment of PVP networks generated by irradiation with different sources, Colloid and Polymer Science 288(9) (2010) 969-980.

[169] C. Dispenza, M. Ricca, C. LoPresti, G. Battaglia, M. La Valle, D. Giacomazza, D. Bulone, E-beam irradiation and UV photocrosslinking of microemulsion-laden poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) hydrogels for "in situ" encapsulation of volatile hydrophobic compounds, Polymer Chemistry 2(1) (2011) 192-202.

[170] M. Șen, H. Hayrabolulu, P. Tașkın, M. Torun, M. Demeter, M. Cutrubinis, O. Güven, Radiation induced degradation of xanthan gum in the solid state, Radiation Physics and Chemistry 124 (2016) 225-229.

[171] L. Zhao, H. Mitomo, F. Yoshii, Synthesis of pH-sensitive and biodegradable CM-cellulose/chitosan polyampholytic hydrogels with electron beam irradiation, J. Bioact. Compat. Polym. 23(4) (2008) 319-333.

[172] H. Hayrabolulu, M. Demeter, M. Cutrubinis, O. Güven, M. Șen, Radiation induced degradation of xanthan gum in aqueous solution, Radiation Physics and Chemistry 144 (2018) 189-193.

[173] N.V. Gupta, H.G. Shivakumar, Investigation of Swelling Behavior and Mechanical Properties of a pH-Sensitive Superporous Hydrogel Composite, Iranian Journal of Pharmaceutical Research 11(2) (2012) 481-493.

[174] A. Chapiro, C. Legris, Gel Formation in the Radiolysis of Poly(N-Vinylpyrrolidone) Solutions, Radiation Physics and Chemistry 28(2) (1986) 143-144.

[175] B. Holt, A. Tripathi, J. Morgan, Viscoelastic response of human skin to low magnitude physiologically relevant shear, Journal of Biomechanics 41(12) (2008) 2689-2695.

[176] C.M. Nimmo, S.C. Owen, M.S. Shoichet, Diels-Alder Click Cross-Linked Hyaluronic Acid Hydrogels for Tissue Engineering, Biomacromolecules 12(3) (2011) 824-830.

[177] D.E. Discher, D.J. Mooney, P.W. Zandstra, Growth Factors, Matrices, and Forces Combine and Control Stem Cells, Science 324(5935) (2009) 1673-1677.

[178] G. D'Erricot, M. De Lellis, G. Mangiapia, A. Tedeschi, O. Ortona, S. Fusco, A. Borzacchiello, L. Ambrosio, Structural and mechanical properties of UV-photo-cross-linked poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) hydrogels, Biomacromolecules 9(1) (2008) 231-240.

[179] M. Kurecic, M. Sfiligoj-Smole, K. Stana-Kleinschek, Uv Polymerization of Poly (N-Isopropylacrylamide) Hydrogel, Materiali in Tehnologije 46(1) (2012) 87-91.

[180] M. Demeter, I. Călina, C. Vancea, M. Șen, M.G.A. Kaya, E. Mănăilă, M. Dumitru, V. Meltzer, E-Beam Processing of Collagen-Poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) Double-Network Superabsorbent Hydrogels: Structural and Rheological Investigations, Macromolecular Research 27(3) (2019) 255-267.

[181] C. Carsote, E. Badea, Micro differential scanning calorimetry and micro hot table method for quantifying deterioration of historical leather, Heritage Science 7 (2019).

[182] S. Ono, R. Imai, Y. Ida, D. Shibata, T. Komiya, H. Matsumura, Increased wound pH as an indicator of local wound infection in second degree burns, Burns 41(4) (2015) 820-824.

[183] M. Ghaffarlou, S.D. Sutekin, O. Guven, Preparation of nanogels by radiation-induced cross-linking of interpolymer complexes of poly (acrylic acid) with poly (vinyl pyrrolidone) in aqueous medium, Radiation Physics and Chemistry 142 (2018) 130-136.

[184] V.V. Khutoryanskiy, Hydrogen-bonded interpolymer complexes as materials for pharmaceutical applications, International Journal of Pharmaceutics 334(1-2) (2007) 15-26.

[185] T. Betancourt, J. Pardo, K. Soo, N.A. Peppas, Characterization of pH-responsive hydrogels of poly(itaconic acid-g-ethylene glycol) prepared by UV-initiated free radical polymerization as biomaterials for oral delivery of bioactive agents, Journal of Biomedical Materials Research Part A 93A(1) (2010) 175-188.

[186] M.M. Ghobashy, Superabsorbent Hydrogels, Intech Open2018.

[187] H. Hezaveh, I.I. Muhamad, Modification and swelling kinetic study of kappa-carrageenan-based hydrogel for controlled release study, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 44(2) (2013) 182-191.

[188] A.R. Khare, N.A. Peppas, Swelling Deswelling of Anionic Copolymer Gels, Biomaterials 16(7) (1995) 559-567.

[189] S.V. Vlierberghe, G.-J. Graulus, S.K. Samal, I.V. Nieuwenhove, P. Dubruel, Porous hydrogel biomedical foam scaffolds for tissue repair, Porous hydrogel biomedical foam scaffolds for tissue repair, Woodhead Publishing2014, pp. 335-390.

[190] I. Pucic, T. Jurkin, FTIR assessment of poly(ethylene oxide) irradiated in solid state, melt and aqeuous solution, Radiation Physics and Chemistry 81(9) (2012) 1426-1429.

[191] Y. Higuchi, Y. Hasegawa, T. Seki, D. Komatsu, N. Ishiguro, Significantly Lower Wear of Ceramic-on-Ceramic Bearings Than Metal-on-Highly Cross-Linked Polyethylene Bearings: A 10-to 14-Year Follow-Up Study, Journal of Arthroplasty 31(6) (2016) 1246-1250.

[192] J. Takihana, M. Komatsu, Y. Ohki, Estimation of Gel Fraction of Polyethylene Cross-linked with Silane by Far-infrared Absorption Spectroscopy, Ieee Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 23(3) (2016) 1500-1505.

[193] N.E. Ben Ammar, T. Saied, M. Barbouche, F. Hosni, A.H. Hamzaoui, M. Șen, A comparative study between three different methods of hydrogel network characterization: effect of composition on the crosslinking properties using sol–gel, rheological and mechanical analyses, Polymer Bulletin 75(9) (2018) 3825–3841.

[194] J.T. Yeh, H.J. Chang, L.F. Xiao, L. Yang, P. Zhu, G.X. Huang, W.H. Yao, Physicochemical properties and molecular weight characterisation of porcine dermal collagen digested under varying conditions with clostridium histolytic collagenase, E-Polymers (2010).

[195] A. Maslennikova, M. Kochueva, N. Ignatieva, A. Vitkin, O. Zakharkina, V. Kamensky, E. Sergeeva, E. Kiseleva, V. Bagratashvili, Effects of gamma irradiation on collagen damage and remodeling, International Journal of Radiation Biology 91(3) (2015) 240-247.

[196] P. Budrugeac, V. Trandafir, M.G. Albu, The effect of the hydration degree on the hydrothermal and thermo-oxidative stability of some collageneous matrices, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 72(2) (2003) 581-585.