Francis Morgan

Het werk in deze thesis focust zich op de ontwikkeling van chemische aanpassingen van de mechanische eigenschappen van hydrogels. In de basis worden deze eigenschappen van hydrogels bepaald door samenstelling en dichtheid van polymeernetwerkverbindingen. Traditionele methodes variëren deze parameters gelijktijdig door aanpassingen aan het moleculaire gewicht van de polymeren, de mate van functionalisatie en het massapercentage. In dit werk gebruiken we dynamische covalente chemie om onafhankelijke controle te verkrijgen over chemische netwerkverbindingen (‘crosslinks’), waardoor nieuwe combinaties van mechanische eigenschappen mogelijk worden. Omdat de staat van een dynamisch covalente crosslink (DCC) gedefinieerd wordt door de reactiesnelheid- en equilibrium-constanten (RECs), is er een expliciet verband tussen de moleculaire RECs en het macroscopische polymeer- (hydrogel)netwerk en de bijbehorende macroscopische mechanische eigenschappen.

Specifieke combinaties van mechanische eigenschappen zijn erg gewild voor verscheidene toepassingen. Bio-inkt bijvoorbeeld moet pseudoplastisch en zelf-herstellend zijn, terwijl de stijfheid constant blijft om cel-instructief te zijn. Mechanobiologische platforms echter moeten (bio)mechanische signalen, zoals stijfheid en viscoelasticiteit, ontkoppelen, terwijl herbruikbare chemische systemen matrices gebruiken die herwonnen kunnen worden.

In dit werk boeken we op een aantal significante wijzen vooruitgang in de rationele engineering van hydrogelmechanica. Allereerst bieden de DCCs de zachte materiaal gemeenschap een toegankelijk en voorspelbaar middel voor de vertaling van modelstudies naar praktijk. Dit wordt mogelijk gemaakt door kwantitatieve bepaling van RECs voor een serie functies die zowel micro- als macromoleculen gebruiken. Er is een bijgaand model ontworpen om veranderingen in hydrogelmechanica te voorspellen op basis van de RECs. Verder is de impact van macromeerlengte en valentie op netwerktopografie en de resulterende hydrogelmechanica onderzocht. Ten tweede tonen we door de combinatie van meerdere DCCs aan dat sub-stoichiometrisch gemixte crosslinker systemen mechanische eigenschappen kunnen verkrijgen die tussen die van de individuele DCCs liggen. Dit is gevalideerd door de ontwikkeling van 3D-printbare bio-inkt die zowel verwerkbaar als fibroblast instruerend is. Ten derde demonstreert de integratie van dynamische netwerkverbindingen in dubbel-netwerk hydrogels dat cellen gevoelig zijn voor lokale netwerkeigenschappen, een gegeven dat niet altijd weerspiegelt wordt in grove mechanische metingen. Ten slotte hebben we een gedefinieerde, synthetische macromeer geproduceerd en gevalideerd als een alternatief voor natuurlijke biopolymeren, die vaak heterogeen en vatbaar voor degradatie zijn.

Deze thesis biedt nieuw gereedschap binnen dynamisch covalente chemie met een nadruk op nieuwe en voorspellende methoden voor het gestuurd ontwerpen van mechanische hydrogel-eigenschappen. Dit zal gebruikt worden voor de volgende generatie zacht materiaal met gespecificeerd mechanisch gedrag.