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Development of Poly(N-isopropylacrylamide) Based Hydrogel Platform and its Applications

Yinghao Xu

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) is a well-known thermoresponsive polymer that undergoes reversible conformational transition at temperature of 32 °C, which is close to human body temperature. This appealing feature, along with its well-defined structure which could be tailored easily, makes it perfect candidate for delivering drugs. In addition, the corresponding hydrogel is therefore widely applied in cell culture and tissue engineering fields. To utilize its large swelling and contraction degree, some efforts have also been made to develop PNIAPM-based hydrogels for the application as sensors and actuators. However, the poor temperature response capacity and mechanical strength have hindered its further application in these fields. To improve these two drawbacks, technologies have been employed separately. Specifically, interpenetrating polymer network and crosslinking additives have been reported to strengthen the PNIPAM hydrogels; while large volume to surface ratio is the main principle to accelerate its temperature responsive rate. In most cases, a higher mechanical strength would result in a worse temperature responsive rate. Because either interpenetrating polymer network or crosslinking network would serve as a framework to limit the movement of PNIPAM chains with temperature change. Thus, a higher volume to surface ratio fabricated either by porous forming technology or by fibrous structure via electrospinning is of significance to offset the side effect resulting from higher mechanical strength. Considering the versatility, flexibility and ease of fiber production, electrospinning would be a perfect candidate to be employed to fabricate PNIPAM-based hydrogel with high surface to volume ratio.

Résumé

Le poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) est un polymère thermosensible qui subit une transformation conformationnelle réversible à la température de 32 °C, proche de la température corporelle. Cette caractéristique attrayante, combinée à sa structure définie pouvant être adaptée facilement, fait de lui un candidat idéal pour l'administration de médicaments. De plus, l'hydrogel correspondant est ainsi utilisé à grande échelle dans la culture des cellules et le domaine de l'ingénierie tissulaire. Pour utiliser son grand degré de gonflement et de contraction, des efforts ont été réalisés afin de développer des hydrogels à base de PNIPAM et les utiliser comme capteurs et actionneurs. Cependant, sa faible capacité de réaction à la température et sa résistance mécanique ont entravé ses potentielles applications dans ces domaines. Pour améliorer ces deux aspects, certaines technologies ont été utilisées séparément. Plus précisément, il a été rapporté qu'un réseau de polymères interpénétrés et des additifs réticulants permettent de renforcer les hydrogels de PNIPAM, tandis qu'un rapport de volume/surface élevé est le meilleur moyen d'accélérer sa vitesse de réaction à la température. En effet, le réseau de polymères interpénétrés comme le réseau réticulé servent de cadre pour limiter le mouvement des chaînes de PNIPAM face aux variations de températures. Ainsi, un rapport de volume/surface plus élevé, fabriqué par une technologie de formage poreux ou par structure fibreuse en électrofilage est important pour compenser l'effet secondaire résultant d'une résistance mécanique plus élevée. Compte tenu de la polyvalence, de la flexibilité et de la facilité de production de fibres, l'utilisation de l'électrofilage serait idéale pour fabriquer des hydrogels à base de PNIPAM présentant un rapport de volume/surface élevé.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Abdellah Ajji and Marie-Claude Heuzey
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5610/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 16 Jun 2021 14:49
Last Modified: 08 Apr 2024 09:25
Cite in APA 7: Xu, Y. (2021). Development of Poly(N-isopropylacrylamide) Based Hydrogel Platform and its Applications [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/5610/

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