Mechanical characterization of tough hydrogels

This thesis reviews some crucial aspects concerning the behavior of alginate-based hydrogels subjected to compression and tension tests. In particular, our attention has been primary focused on how the mechanical properties change according to the different preparation methods of the hydrogel. The gels have been realized through a cross-linking process characterized by two steps: an internal gelation first, followed by an external gelation to reach optimal mechanical properties and provide an innovative protocol to synthesize hydrogels with high toughness. Starting from a natural polymer, alginate, the mechanical behaviour of single and double cross-linking hydrogels immersed in distilled water was investigated through compression and tension tests to show how the production process allows to modulate the properties of the gels, considering the effect of different variables: thickness, temperature and cross-linking degree. A specific instrumental apparatus was design and constructed in order to perform tensile test in a specific environment while compression test was performed using a Petri dish filled by distilled water. A final hydrogel characterized by a skin stiffer than the core was discovered leading to a variation of mechanical behaviour at different directions of the applied force.

Il seguente lavoro di tesi prende in esame alcuni aspetti cruciali riguardanti il comportamento degli idrogel a base di alginato sottoposti a prove di compressione e trazione. In particolare, l’attenzione è stata focalizzata su come variano le proprietà meccaniche considerando diversi metodi di preparazione dell'idrogel. I gel sono stati realizzati attraverso un processo di reticolazione caratterizzato da due fasi: una prima gelificazione interna, seguita da una gelificazione esterna per raggiungere proprietà meccaniche ottimali e fornire un protocollo innovativo per sintetizzare idrogel ad alta tenacità. Partendo da un polimero naturale, l'alginato, è stato studiato il comportamento meccanico degli idrogel a singola e doppia reticolazione immersi in acqua distillata. Lo studio è stato effettuato attraverso test a compressione e trazione per dimostrare come il processo produttivo permetta di modulare le proprietà dei gel, considerando l'effetto di diverse variabili: spessore, temperatura e grado di reticolazione. È stato progettato e costruito uno specifico apparato per eseguire prove di trazione in ambiente mentre le prove a compressione sono state effettuate utilizzando una piastra di Petri riempita con acqua distillata. L’idrogel finale in questione è caratterizzato da una pelle più rigida del nucleo che porta ad un diverso comportamento meccanico dipendente dalle diverse direzioni della forza applicata.