Řízená ionotropní gelace alginátu jako nástroj pro vývoj funkčních a adaptabilních hydrogelů

Controlled Ionotropic Gelation of Alginate as a Tool for the Development of Functional and Adaptable Hydrogels

Stať ve sborníku mimo WoS a Scopus

Hydrogely na bázi alginátu jsou široce využívány v biomedicínských, farmaceutických a zemědělských aplikacích díky své biokompatibilitě, nízké toxicitě a laditelným vlastnostem. Tato práce představuje optimalizovanou metodiku vnitřní ionotropní gelace využívající uhličitan vápenatý (CaCO₃) jako nerozpustný zdroj vápníku a glukono-δ-lakton (GDL) jako kontrolované okyselující činidlo. Postupná hydrolýza GDL umožňuje zpožděné a homogenní uvolňování Ca²⁺ iontů, což umožňuje přesnou kontrolu kinetiky gelace a konečného pH. Vliv molárního poměru CaCO₃:GDL (1:1–1:2) na dobu gelace, pH a mechanickou pevnost byl hodnocen pomocí reometrických experimentů. Optimální poměr 1:1,5 poskytoval neutrální pH, vhodnou dobu gelace a vysokou mechanickou pevnost, zatímco zvýšená či snížená koncentrace GDL vedla k neúplné gelaci nebo nadměrné acidifikaci a synerezi. U vodivých hydrogelů obsahujících alginát, hovězí sérový albumin a PEDOT:PSS docházelo s rostoucí koncentrací PDOT:PSS ke zvýšení vodivosti, a to bez nějaké výrazného ovlivnění výsledné mechanické pevnosti gelů. Optimalizovaná metodika oddálené gelace alginátu byla úspěšně aplikována při zapouzdření Azotobacter vinelandii v rámci přípravy bioinokulantů podporujících růst rostlin a při přípravě vodivých hydrogelů vhodných pro regeneraci nervové tkáně. Kontrolovaná, oddálená gelace umožňuje přímou aplikaci, tvarovou přizpůsobivost a in situ tuhnutí, což dokazuje všestrannost této metody pro tvorbu funkčních a adaptivních hydrogelových systémů.

Alginate-based hydrogels are widely used in biomedical, pharmaceutical, and agricultural applications due to their biocompatibility, low toxicity, and tunable properties. This work presents an optimized methodology for internal ionotropic gelation using calcium carbonate (CaCO₃) as an insoluble calcium source and glucono-δ-lactone (GDL) as a controlled acidifying agent. The gradual hydrolysis of GDL enables delayed and homogeneous release of Ca²⁺ ions, allowing precise control over gelation kinetics and final pH. The influence of the CaCO₃:GDL molar ratio (1:1–1:2) on gelation time, pH, and mechanical strength was evaluated through rheometric experiments. The optimal ratio of 1:1.5 provided neutral pH, an appropriate gelation time, and high mechanical strength, while increased or decreased GDL concentrations led to incomplete gelation or excessive acidification and syneresis. In conductive hydrogels containing alginate, bovine serum albumin, and PEDOT:PSS, increasing PDOT:PSS content enhanced electrical conductivity without noticeably affecting the mechanical strength of the gels. The optimized delayed gelation methodology was successfully applied to the encapsulation of Azotobacter vinelandii for the preparation of plant-growth-promoting bioinoculants, as well as to the fabrication of conductive hydrogels suitable for neural tissue regeneration. Controlled, delayed gelation enables direct application, shape adaptability, and in situ solidification, demonstrating the versatility of this method for creating functional and adaptive hydrogel systems.

alginát; ionotropní gelace; řízené uvolňování Ca²⁺; vodivé hydrogely; bioinokulanty

alginate; ionotropic gelation; controlled release of Ca²⁺; conductive hydrogels; bioinoculants

KOUŘILOVÁ, L.; ŠČOTKOVÁ, R.; SMILEK, J.; FOHLEROVÁ, Z.; SEDLÁČEK, P.

26.11.2025

Slovenská technická univerzita v Bratislavě

Slovenská chemická knihovna FCHPT STU

978-80-8208-162-9

Chémia a technológie pre život 27. celoslovenská študentská vedecká konferencia s medzinárodnou účasťou

235

236

405