体積相転移によるヒドロゲルの熱的に調整可能な動的・静的弾性特性

Thermally Tunable Dynamic and Static Elastic Properties of Hydrogel Due to Volumetric Phase Transition.

• Yuqi Jin
• Teng Yang
• Shuai Ju
• Haifeng Zhang
• Tae-Youl Choi
• Arup Neogi

抄録

ポリビニルアルコール系ポリN-イソプロピルアクリルアミド(PVA-PNIPAm)ハイドロゲルの機械的性質の温度依存性を、材料の静的体積弾性率と動的体積弾性率から調べた。温度誘起体積相転移がPVA-PNIPAmのヤング率,ポアソン比及び密度に及ぼす影響を実験的に測定し、非熱応答性アルギン酸塩ハイドロゲルを基準として比較した。温度を27.5℃から32℃に上昇させると、低臨界溶液温度(LCST)では、従来の温度依存的なPVA-PNIPAmハイドロゲルの体積の70%までの膨潤が消失することがわかった。しかし、温度の上昇に伴い、PVA-PNIPAmハイドロゲルのヤング率と密度は急激に増加し、それに対応するポアソン比と静的バルク弾性率はLCST温度付近で減少した。PVA-PNIPAmハイドロゲルの動的弾性率は、LCST前には周波数依存性が高く、LCST後には温度依存性が高いことがわかった。また、熱応答性を有するPVA-PNIPAmハイドロゲルの動的弾性特性を比較したところ、熱感応性を有しないアルギン酸塩ハイドロゲルと大きく異なることが確認された。

The temperature dependence of the mechanical properties of polyvinyl alcohol-based poly n-isopropyl acrylamide (PVA-PNIPAm) hydrogel was studied from the static and dynamic bulk modulus of the material. The effect of the temperature-induced volumetric phase transition on Young's Modulus, Poisson's ratio, and the density of PVA-PNIPAm was experimentally measured and compared with a non-thermo-responsive Alginate hydrogel as a reference. An increase in the temperature from 27.5 to 32 °C results in the conventional temperature-dependent de-swelling of the PVA-PNIPAm hydrogel volume of up to 70% at the lower critical solution temperature (LCST). However, with the increase in temperature, the PVA-PNIPAm hydrogel showed a drastic increase in Young's Modulus and density of PVA-PNIPAm and a corresponding decrease in the Poisson's ratio and the static bulk modulus around the LCST temperature. The dynamic bulk modulus of the PVA-PNIPAm hydrogel is highly frequency-dependent before the LCST and highly temperature-sensitive after the LCST. The dynamic elastic properties of the thermo-responsive PVA-PNIPAm hydrogel were compared and observed to be significantly different from the thermally insensitive Alginate hydrogel.