Multifyzikální modelování „stimuli-responsive“ hydrogelových konstruktů metodou konečných prvků

• Název práce v češtině: Multifyzikální modelování „stimuli-responsive“ hydrogelových konstruktů metodou konečných prvků
• Název v anglickém jazyce: Multiphysics modeling of "stimuli-responsive" hydrogel constructs using the finite element method
• Klíčová slova: kaučukovitá elasticita|bobtnání|difuze|core-shell částice|částicové kompozity|metoda konečných prvků
• Klíčová slova anglicky: rubber elasticity|swelling|diffusion|core-shell particles|particulate composites|finite element method
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra makromolekulární fyziky (32-KMF)
• Vedoucí / školitel: Ján Šomvársky, CSc.
• Konzultanti: Ing. Miroslava Dušková - Smrčková, Dr.

Zásady pro vypracování

Bude upřesněno, podrobnější informace (e-mail, případně i telefon)

Seznam odborné literatury

[1] Burak Erman and James E. Mark: Structures and properties of rubberlike networks, Oxford University Press 1997
[2] O.C. Zienkiewicz and R.L. Taylor: The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics, Elsevier Butterworth-Heinemann 2005, 6th ed.
[3] J. Šomvársky, K. Dušek and M. Dušková-Smrčková, J. Phys.: Conf. Ser. 490 (2014) 012207, doi:10.1088/1742-6596/490/1/012207
[4] Karel Dušek, Miroslava Dušková-Smrčková and Ján Šomvársky, Macromol. Symp. 2015, 358, 120–127
[5] Alessandro Lucantonio, Paola Nardinocchi and Luciano Teresi, J. Mechan. Phys. Solids 61(1):205–218, DOI10.1016/j.jmps.2012.07.010

Předběžná náplň práce

Makromolekulární či polymerní (hydro)gely jsou tvořeny (hyper)elastickým sesíťovaným polymerem a rozpouštědlem, které proniká do elastické sítě a vyvolává velké objemové deformace (bobtnání, smršťování). Určité gely jsou schopny reagovat skokovou změnou objemu (mechanická změna) na nemechanické stimuly z okolního prostředí, jako jsou změny teploty, pH, koncentrace iontů, působení světla či elektrického napětí. Hydrogely jsou připravovány ve formě mikroskopických i makroskopických objektů, např. tenkých filmů, vláken, sférických částic, porézních těles atd., připravených z jednoho nebo více typů navrstvených gelů – tzv. gelové konstrukty. V poslední době se k vytváření těchto objektů využívají i metody 3D-tisku, např. „masked stereolithography“ a mikrofluidiky. Hydrogely a hydrogelové konstrukty nacházejí využití v inženýrských aplikacích, např. při regeneraci vody, v oblasti vývoje sensorů a biočipů, v aktuátorech a zejména v biomedicínských aplikacích jako implantáty nebo nosiče léčiv a v tkáňovém inženýrství jako speciální 2D a 3D substráty pro kultivace.

Chování takových materiálů jako např. core-shell částice (jádro a slupka jsou z různých gelů), nebo částicové kompozity (tuhé částice plniva v sesíťované gelové matrici), je velmi pestré a složité. Kontakt dvou materiálů generuje omezení a v důsledku bobtnání silová pole. Systém může v průběhu pronikání rozpouštědla projít bodem nestability (buckling), může dojít k fázové separaci gelu (fáze se liší stupněm nabobtnání), apod.

Cílem práce je vytvořit modely takových systémů pomocí dostupných softwarových balíků využívajících metodu konečných prvků a studovat zvolené systémy jak v rovnováze tak i v přechodových procesech. Jedná se tedy o interakci nejméně dvou fyzikálních jevů: mechaniky a difuze. Cíle práce je možné rozšířit i na oblast samotné teorie, a to na model interakce polymeru a rozpouštědla (Flory-Hugginsův model a jeho varianty) a na modely elasticky a zejména na jejich kombinaci, která v současné době obsahuje určitou nekompatibilitu.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Macromolecular or polymer (hydro)gels are formed by a (hyper)elastic cross-linked polymer and a solvent that penetrates the elastic network and causes large-volume deformations (swelling, shrinkage). Certain gels are able to react by a sudden change in volume (mechanical change) to non-mechanical stimuli from the surrounding environment, such as changes in temperature, pH, the concentration of ions, and exposure to light or electric voltage. Hydrogels are prepared in the form of microscopic and macroscopic objects, e.g. thin films, fibers, spherical particles, porous bodies, etc., prepared from one or more types of layered gels - so-called gel constructs. Recently, 3D printing methods, such as "masked stereolithography" and microfluidics, have also been used to create these objects. Hydrogels and hydrogel constructs find use in engineering applications, e.g., in water regeneration, sensor and biochip development, actuators, and especially in biomedical applications as implants or drug carriers and in tissue engineering as special 2D and 3D substrates for cultivation.

The behavior of such materials as e.g. core-shell particles (core and shell are made of different gels) or particle composites (solid filler particles in a cross-linked gel matrix) is very varied and complex. The contact of two materials generates constraints and, due to swelling, force fields. During the penetration of the solvent, the system may pass through a point of instability (buckling), phase separation of the gel may occur (the phases differ in the degree of swelling), etc.

The thesis aims to create models of such systems using available software packages based on the finite element method and to study the selected systems in equilibrium and transition processes. It is, therefore, an interaction of at least two physical phenomena: mechanics and diffusion. The goals of the thesis can be extended to the field of the theory itself, namely to the polymer-solvent interaction model (Flory-Huggins model and its variants) and to elastic models and especially to their combination, which currently contains a certain incompatibility.