Synthesis of Highly Stretchable and Tough Hydrogels with Controlled Photodegradation

Abstract

Soft and wet hydrogels share many similarities with the physicomechanical properties of biological tissues. However, their poor mechanical performance has been one of the major obstacles in various application areas (e.g., tissue engineering, drug delivery, and soft robotics). In recent years, new mechanisms have been developed to improve the mechanical properties of hydrogels have emerged. Double-network (DN) hydrogels are mechanically very robust due to their unique opposing network structures: one is brittle and stiff, the other ductile and soft. Based on the principle of sacrificial bonding the hydrogel can effectively dissipate energy to increase resistance to crack propagation. Despite the rapid and promising progress in the mechanisms to increase the strength of hydrogels, some problems remain unsolved, including the impossibility of adjusting their properties after the preparation process. Most of the polymers used to form the crosslinked network are non-degradable.In this thesis, DN hydrogels combining high stretchability, toughness, biocompatibility, and on-demand degradation using cytocompatible light wavelengths (λ = 365 nm) were prepared for the first time. Initially, the photodegradable DN hydrogels were prepared by incorporating photolabile ortho-nitrobenzyl (ONB) groups into the bifunctional acrylate crosslinkers, which allowed spatial and temporal control of their properties and tuneable degradation. Chemical modifications to the structure of the synthesized ONB crosslinker had a significant impact on the photolysis rate and improved cytocompatibility. The hydrophobicity of the ONB-based crosslinkers was modified by incorporating different lengths of poly(ethylene glycol) PEG backbone (600, 1000, and 2000 g⋅mol-1), which also affects the degradation and mechanical properties of the resulting hydrogels. Light-responsive alginate/polyacrylamide (PAAm) DN hydrogels were successfully prepared by a simple and straightforward one-step procedure. Divalent cations (Ca2+) ionically crosslinked the alginate, and the novel series of ONB-based crosslinkers formed the covalently PAAm network. The remarkable mechanical performance and triggered degradation make these hydrogels promising substrates for eco-friendly sensors for bioelectronics (e.g., biosensors and stretchable electronics). Finally, the drying tolerance of Ca-alginate/PAAm hydrogels was successfully achieved by the solvent displacement between glycerol and water molecules. The photodegradable glycerol-based hydrogels improved the mechanical behavior and enabled easy digital printing of a liquid metal (LM) based biphasic ink. The printed wearable sensor was successfully applied to human skin for body motion monitoring, after that the hydrogel was efficiently degraded and the costly metals were recycled.This work addresses some of the challenges in fabricating the tough DN hydrogels and improving their mechanical and degradable properties to form the basis for the next generation of bioelectronic interfaces and environmentally friendly devices.

Os hidrogéis macios e húmidos partilham muitas semelhanças com as propriedades físico-mecânicas dos tecidos biológicos. No entanto, o seu fraco desempenho mecânico tem sido um dos principais obstáculos em várias áreas de aplicação (por exemplo, engenharia de tecidos, libertação de fármacos e robótica). Nos últimos anos, surgiram novos mecanismos para melhorar as propriedades mecânicas dos hidrogéis. Os hidrogéis de rede dupla (DN) são mecanicamente muito robustos, devido às suas redes únicas e com estruturas opostas: uma é frágil e rígida, enquanto a outra dúctil e macia. Com base no princípio da ligação sacrificial, o hidrogel pode dissipar a energia para aumentar a resistência à propagação de fissuras. Apesar do progresso rápido e promissor no desenvolvimento de mecanismos para aumentar a resistência dos hidrogéis, alguns problemas permanecem sem solução, incluindo a impossibilidade de ajustar suas propriedades após a sua preparação. A maioria dos polímeros usados para formar as redes reticuladas não são degradáveis. Nesta tese, foram preparados pela primeira vez, hidrogéis DN que combinam uma elevada elasticidade, tenacidade, biocompatibilidade, e degradação sob demanda usando luz com um comprimento de onda citocompatível (λ = 365 nm). Primeiramente, os hidrogéis DN fotodegradáveis foram preparados através da incorporação de grupos fotolábeis orto-nitrobenzil (ONB) nos agentes de reticulação de acrilato bifuncionais, permitindo o controle espacial e temporal das suas propriedades e, também, ajustando a sua degradação. As modificações químicas na estrutura dos agentes de reticulação sintetizados impactaram significativamente a sua taxa de fotólise e melhoraram a sua citocompatibilidade. A hidrofobicidade dos agentes de reticulação foi alterada pela incorporação de diferentes pesos moleculares de polietileno glicol (PEG) (600, 1000 e 2000 g⋅mol-1), o que também influenciou a degradação e as propriedades mecânicas dos hidrogéis resultantes. Os hidrogéis de alginato/poliacrilamida (PAAm) DN responsivos à luz foram preparados com sucesso por um procedimento simples e direto. Os catiões divalentes (Ca2+) reticularam ionicamente o alginato, enquanto os novos agentes de reticulação à base de ONB formaram a rede covalente de PAAm. O notável desempenho mecânico e a degradação acionável tornaram estes hidrogéis substratos promissores, para sensores ecologicamente sustentáveis para bioeletrónica (por exemplo, biosensores e eletrónicos elásticos). Por último, a resistência à secagem dos hidrogéis de Ca-alginato/PAAm alcançou-se com sucesso, através do método de deslocamento do solvente entre as moléculas de glicerol e água. Os hidrogéis DN fotodegradáveis à base de glicerol melhoraram o comportamento mecânico e permitiram a fácil impressão digital de uma tinta bifásica à base de metal líquido (LM). O sensor vestível impresso foi aplicado com sucesso na pele humana para monitorizar o movimento do corpo, e seguidamente o hidrogel foi eficientemente degradado e os metais usados reciclados. Este trabalho aborda alguns dos desafios na fabricação de hidrogéis DN resistentes e a melhoria das suas propriedades mecânicas e degradáveis forma a base para a próxima geração de interfaces bioeletrônicas e dispositivos ecologicamente corretos.