Dynamics of coupled processes in responsive soft (bio)polymer materials

Prosjektet Dynamikk til koblede prosesser i responsive polymer materialer fokuserer på utvikling av ny innsikt av dynamikken til polymer materialer (hydrogeler) som viser endret svelletilstand i nærvær av spesifikk molekyler. Gjensidige avhengige prosesser som molekylær transport, vekselvirkning, reaksjon, relaksasjon av nettverk og sammenheng mellom disse og struktur på nettverket vil bestemmes. Denne tilnærmelsen forventes å gi ny innsikt i forhold til mer konvensjonelle tilnærmelser som bygger på sammenhenger mellom egenskaper til molekylære stimuli og nettverksegenskaper, på den ene siden, og netto endringer i svellevolum, på den andre, som den primære eksperimentelle parameter. Prosjektet kombinerer eksperimentell og numerisk basert strategi. I prosjektet fokuseres det på en hydrogel type hvor dobbelheliks segmenter av DNA inkluderes som kryssbindinger. Denne type hydrogel er valgt fordi den kan lages med stor variasjon av egenskaper, og representerer også materialer anvendbare for biosensorer. De ulike prosessene i disse molekylære responsive hydrogelene vil kartlegges ved optisk avbildning (fluorescens teknikker) og interferometri. Utviklingen av de ulike prosessene i rom og tid er modellert ved elementmetode, som også inkludere bestemmelse av elastiske egenskaper til hydrogelen. I prosjektet er det realisert og anvendt eksperimentelle prosedyrer for bruk av fluorescensmarkører for kartlegging av koblede prosesser, prosedyrer for syntese av mekanisk lagdelte hydrogeler for bestemmelse av kinetikk til mekanisk drevne prosesser, og numeriske prosedyrer for modellering av koblede prosesser som foregår ved svelling av hydrogeler. Bruk av fluorescensmarkører har avklart hvordan reaksjon-diffusjonsegenskaper gjensidig påvirker hverandre når det gjelder DNA oligomerer som vandrer i hydrogeler med DNA som kryssbinding. DNA oligomerer som binder seg sterkt til DNA kryssbindingen og åpner disse før til lokal drenering av DNA oligomerene, som gir en nærmest plugg-lignende konsentrasjonsprofil vandrende i hydrogelen. Dette er i kontrast til DNA oligomerer som binder seg svakere til DNA kryssbindingene som karakteriseres ved at hydrogelvolumet okkuperes mer som i en ren diffusiv prosess. Hydrogeler med DNA kryssbindinger valgt blant kjente DNA aptamerer er realisert som mulige biosensorer. Prosedyren for syntese av mekaniske lagdelte hydrogeler baserer seg på ulike polymersystemer, med kontroll av polymer- og kryssbinderkonsentrasjon for å kunne lage lagdelte systemer med ulik elastisitetsmodul og tykkelse. Disse er realisert ved bruk av spin-coating. De lagdelte hydrogelene karakteriseres ved optisk avbildingsteknikker kvantitativ fasekontrast (QPI) og konfokalmikroskopi som en del av denne prosessen. Ved hjelp av disse avbildningsteknikkene oppnås kvantitativ informasjon om foldinger/rynker. I arbeidet med numerisk analyse av svelling av hydrogeler er det implementert to forskjellige modeller i FORTRAN som brukerrutiner integrert med den kommersielle elementmetode-programvaren Abaqus; en relativt enkel model hvor et kjemisk pontesiale direkte driver svellingen av gelen og en mer komplisert model hvor de kjemiske prosessene i en kationisk gel inkluderes. Det kjemiske potensialet som driver svellingen av en hydrogel er inkludert i modellene ved å utnytte likheter mellom hydrogel svelling og varmetransport, noe som muligjør bruk av temperatur-elementer i Abaqus for å simulere diffusjonsprosesser i hydrogeler. Den enkleste modellen som er implementert i FORTRAN er blitt brukt til å studere dannelsen av rynker på overflaten av lagdelte hydrogeler med ulik elastisitetsmodul og tykkelse. Effektive prosedyrer har blitt etablert for å kvantifisere svellingstilstanden til en gel ved dannelsen av rynker fra numeriske resultater. Vi finner at det inhomogene feltet for kjemisk potensiale som følger av en tidsavhengig svellingsprosess betydelig endrer grad av svelling ved rynking, hvor en lavere diffusjonskonstant gir dannelse av rynker ved mindre svelling. Dette er vist for forskjellig verdier for stivheten til de to lagene. Resultaten for homogen svelling med elementmetodesimuleringer er sammenlignet med en publisert semi-analytisk løsningstrategi, med god overenstemmelse mellom metodene både for svellenivået og bølgelengden. Vi jobber nå med å utvide den semi-analytiske metoden til å håndetere inhomogene svelletilstander og å implementere denne løsningstrategien i Python. Dette er et uavhengig sammenligningsgrunnlag for resultatene fra elementmetodesimuleringene og er også en beregningsmessig effektivt og åpent alternativ til elementmetoden. Den kationiske modellen er blitt brukt for å oppnå representative materialparametere for tidsavhengig svelling ved bruk av invers-modellering hvor simuleringsresultater er sammenlignet med eksperimentelle data. Dette er også kombinert med spesifikk ione-effekter erfart ved økende saltkonsentrasjoner, og inkludert i elementmetoden ved Flory-Huggins vekselvirkningsparametre.

I prosjektet er det oppnådde ny fundamental kunnskap med hensyn til samspillet mellom ulike prosesser knyttet til molekylære responsive hydrogeler. Dette er kunnskap som kan legges til grunn for mer hensiktsmessig design av slike materialer ved anvendelse som biosensorer, og et «proof of concept» for det er vist. Videre er det oppnådd ny kunnskap om forekomst av rynking i mekanisk heterogene hydrogeler. Dette er et fenomen som andre har beskrevet til å være av betydning i forbindelse med folding av myke materialer slik de forekommer i morfogenese. Samlet sett resulterer dette i et kunnskapsgrunnlag en kan bygge videre på, som har potensiell oppmerksomhet i internasjonale forskningsmiljøer og som kan anvendes ved utvikling av biosensorer.

The project Dynamics of coupled processes in responsive soft (bio)polymer materials (DynaRes) focuses on development of novel insight into the dynamics of responsive soft (bio)polymer materials that respond to molecular stimuli. Within the DynaRes project we focus on the dynamics within the coupled processes of molecular probe transport, recognition by interaction, reaction, hydrogel structure and network relaxation, occurring in such materials. This approach goes beyond the extensive studies of responsive (bio)polymer materials that mainly uses correlations between the stimuli and hydrogel structure and composition on one hand, and resulting changes in equilibrium swelling states on the other, as the primary observable. The DynaRes approach is to combine experimental and numerical strategies to assess the dynamics of the various processes taking place in two selected molecular responsive hydrogels. The selected hydrogels, the first include one with embedded duplex DNA segments as physical crosslinks, and the other including a host-guest type crosslink, represent models offering large parameter space for their properties, as well as being applicable for biosensors. The experimental approaches include preparation of various hydrogel entities, spatiotemporal characterization of the different processes utilizing fluorescence techniques, and high resolution interferometry. The spatiotemporal evolution of the processes, involving coupling to elastic properties, will be modelled using finite element based approaches. Successful implementation of the DynaRes project can be expected to provide significant advancement in knowledge of biomolecule responsive hydrogel materials, not only for the selected the soft materials, but also with relevance for other man made hydrogels or as existing naturally.