Вплив каркаса на дифузію сторонніх частинок у полімерних гідрогелях
DOI:
https://doi.org/10.17721/1812-5409.2026/1.37Ключові слова:
дифузія, гідрогелі, агароза, желатин, родамін, полімерна сіткаАнотація
Запропоновано фізичну модель, що описує вплив каркаса на дифузію сторонніх частинок у полімерних гідрогелях. Під час побудови цієї моделі використано традиційний підхід, властивий класичній теорії дифузії в конденсованих середовищах. Отримано теоретичну залежність коефіцієнта дифузії від об’єму, зайнятого каркасом. Показано, що вплив каркаса на дифузію сторонніх частинок у гідрогелі визначається переважно змінами вільної енергії активації, викликаними наявністю каркаса.
За допомогою методу аналізу оптичних зображень отримано залежності коефіцієнта дифузії в гідрогелях агарози та желатини з різною концентрацією гелеутворювача. Встановлено, що отримані експериментальні залежності узгоджуються з теоретичною залежністю, передбаченою запропонованою фізичною моделлю. Показано, що коли розмір часток дифузанту набагато менший від розміру пори гідрогелю, то коефіцієнт дифузії зележить не від природи гідрогелю, а від концентрації гелеутворювача.
Посилання
Alekseev, O. M., Zabashta, Y. F., Kovalchuk, V. I., Lazarenko, M. M., & Bulavin, L. A. (2019). The structure of polymer clusters in aqueous solutions of hydroxypropyl Cellulose. Ukrainian journal of physics, 64(3), 238–238. 10.15407/ujpe64.3.238
Armstrong, M., Walker, S., Mains, J., & Wilson, C. G. (2014). Drug delivery across the nasal mucosa. Mucoadhesive Materials and Drug Delivery Systems, 61–82. https://doi.org/10.1002/9781118794203.ch03
Bagchi, B. (2023). Nonequilibrium statistical mechanics: an introduction with applications. Chapman and Hall/CRC. https://doi.org/10.1201/9781003157601
Birkhoff, G. (2015). Hydrodynamics. Princeton University Press.
Clegg, J. R., Adebowale, K., Zhao, Z., & Mitragotri, S. (2024). Hydrogels in the clinic: An update. Bioengineering & translational medicine, 9(6), e10680. https://doi.org/10.1002/btm2.10680
Crank, J. (1979). The mathematics of diffusion. Oxford university press.
Davydiuk, A. L., Andrusenko, D. A., Lazarenko, M. M., Burbelo, R. M., Kuzmich, A. G., Yablochkova, K. S., Dinzhos R. V., & Alekseev, O. M. (2024). A new photoacoustic method to study diffusion in soft matter. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 768(16), 858–867. https://doi.org/10.1080/15421406.2024.2372126
Frenkel, J. (1955). Kinetic Theory of Liquids. Dover Publications. Inc., New York.
Hnatiuk, K. I., Zabashta, Y. F., Lazarenko, M. M., Alekseev, S. A., Yablochkova, K. S., Ushcats, M. V., Dinzhos, R.V., Vergun, L. Yu., Andrusenko, D. A., Alekseev, A. N., & Bulavin, L. A. (2023). Dielectric Relaxation in Nanocrystals: A Scale Effect. The Journal of Physical Chemistry C, 127(25), 12107–12117. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c01523
Ho, T. C., Chang, C. C., Chan, H. P., Chung, T. W., Shu, C. W., Chuang, K. P., Duh, T. H., Yang, M. H., & Tyan, Y. C. (2022). Hydrogels: properties and applications in biomedicine. Molecules, 27(9), 2902. https://doi.org/10.3390/molecules27092902
Jiang, F., Xu, X. W., Chen, F. Q., Weng, H. F., Chen, J., Ru, Y., Xiao, Q., & Xiao, A. F. (2023). Extraction, modification and biomedical application of agarose hydrogels: a review. Marine Drugs, 21(5), 299. https://doi.org/10.3390/md21050299
Lazarenko, M. M., Zabashta, Y. F., Alekseev, O. M., Alekseev, S. A., Yablochkova, K. S., Vergun, L. Y., Andrusenko. D. A., Cherevko, K. V., Shevchenko, V. B., Dinzhos, R. V., & Bulavin, L. A. (2024). Thermally activated processes: the underlying mechanism of activated state formation. RSC advances, 14(53), 39242-39252. 1 https://doi.org/0.1039/D4RA06983H
Lazarenko, M. M., Zabashta, Y. F., Honcharuk, D. K., Alekseev, O. M., Yablochkova, K. S., Vergun, L. Y., Andrusenko, D. A., Lazarenko, M. V., & Bulavin, L. A. (2025). Determining hydrogel porosity through dielectric relaxation intensity ratios between water and hydrogel. Soft Matter, 21(21), 4298–4305. https://doi.org/10.1039/D5SM00077G
Majer, G., & Melchior, J. P. (2014). Characterization of the fluorescence correlation spectroscopy (FCS) standard Rhodamine 6G and calibration of its diffusion coefficient in aqueous solutions. The Journal of Chemical Physics, 140(9). https://doi.org/10.1063/1.4867096
Mehta, P., Sharma, M., & Devi, M. (2023). Hydrogels: An overview of its classifications, properties, and applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 147, 106145. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2023.106145
Milano, F., Masi, A., Madaghiele, M., Sannino, A., Salvatore, L., & Gallo, N. (2023). Current trends in gelatin-based drug delivery systems. Pharmaceutics, 15(5), 1499. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15051499
Rahbani, J., Behzad, A. R., Khashab, N. M., & Al‑Ghoul, M. (2013). Characterization of internal structure of hydrated agar and gelatin matrices by cryo‑SEM. Electrophoresis, 34(3), 405–408. https://doi.org/10.1002/elps.201200434
Richtering, W., Potemkin, I. I., Rudov, A. A., Sellge, G., & Trautwein, C. (2016). Could multiresponsive hollow shell–shell nanocontainers offer an improved strategy for drug delivery? Nanomedicine, 11(22), 2879–2883. https://doi.org/10.2217/nnm-2016-0327
Roca-Arroyo, A. F., Gutierrez-Rivera, J. A., Morton, L. D., & Castilla-Casadiego, D. A. (2025). Hydrogel network architecture design space: impact on mechanical and viscoelastic properties. Gels, 11(8), 588. https://doi.org/10.3390/gels11080588
Smeets, N. M., & Hoare, T. (2013). Designing responsive microgels for drug delivery applications. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 51(14), 3027–3043. https://doi.org/10.1002/pola.26707
Velasco, D., Danoux, C. B., Redondo, J. A., Elvira, C., San Roman, J., Wray, P. S., & Kazarian, S. G. (2011). pH-sensitive polymer hydrogels derived from morpholine to prevent the crystallization of ibuprofen. Journal of controlled release, 149(2), 140–145. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2010.10.015
Wang, S., Liu, R., Fu, Y., & Kao, W. J. (2020). Release mechanisms and applications of drug delivery systems for extended-release. Expert Opinion on Drug Delivery, 17(9), 1289–1304. https://doi.org/10.1080/17425247.2020.1788541
Wolde-Kidan, A., Herrmann, A., Prause, A., Gradzielski, M., Haag, R., Block, S., & Netz, R. R. (2021). Particle diffusivity and free-energy profiles in hydrogels from time-resolved penetration data. Biophysical Journal, 120(3), 463–475. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.12.020
Yang, D. (2022). Recent advances in hydrogels. Chemistry of Materials, 34(5), 1987–1989. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00188
Yuan, Y., Zhang, Q., Lin, S., & Li, J. (2025). Water: The soul of hydrogels. Progress in Materials Science, 148, 101378. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101378
Zhu, T., Ni, Y., Biesold, G. M., Cheng, Y., Ge, M., Li, H., Huang, J., Lin, Z., & Lai, Y. (2023). Recent advances in conductive hydrogels: classifications, properties, and applications. Chemical Society Reviews, 52(2), 473–509. https://doi.org/10.1039/D2CS00173J
Zhu, Y., Zhang, H., Tan, Q., Wu, Y., Du, M., Hadjichristidis, N., Jiang Yu., & Zhang, D. (2025). Strong and ultra-tough hydrogel with hierarchical cross-linking network architecture constructed by a hyperbranched topological structure. Macromolecules, 58(13), 6512–6523 https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00513.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Yuri Zabashta, Yaroslav Lazarenko, Oleksandr Alekseev, Lena Vergun, Kateryna Hnatiuk, Dmytro Andrusenko, Kateryna Yablochkova, Roman Dinzhos, Neli Koseva, Maksym Lazarenko
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, роботи яких публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:
- Автори зберігають авторські права та надають журналу право на першу публікацію роботи, яка одночасно ліцензується згідно із Creative Commons Attribution License, тобто надається дозвіл іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
- Автори можуть укладати окремі додаткові угоди щодо невиключного розповсюдження опублікованої журналом версії роботи (наприклад, розмістити її у репозитарії наукової установи чи опублікувати у книзі) з підтвердженням її початкової публікації у цьому журналі.
- Дозволяється та заохочується розміщення своїх робіт в мережі Інтернет авторами (наприклад, у репозитаріях наукових установ або на особистих веб-сторінках) до та під час процесу подання, оскільки це може призвести до продуктивного обміну, а також до більш ранніх цитувань опублікованої роботи та їх більшої кількості (див. The Effect of Open Access).
