Microrheological study of physical gelation in thermoreversible gels

The aim of this work is to characterize physical gels in order to extrapolate viscoelastic properties through a microrheological study. Physical gels are highely porous thermoreversible disordered solids characterized by internal transient weak bonds, whose strength is of the order of thermal energy. The focus of the analysis is a polymeric gel, commercially known as Mebiol Gel c, whose sol-gel transition temperature is close to the physiological one. In addition, it shows interesting features as a cell/tissue culture scaffold. The Mebiol gel is completely transparent to white light both in liquid and sol-gel phase. For this reason, probe particles were inserted in the specimen in order to perform microrheological measurements. The microrheological analysis allows to determine viscoelastic properties at timescales comparable to those of gel dynamics which are shorter than the ones investigated by traditional rheology. The aforementioned properties have been derived using Differential Dynamic Microscopy(DDM)combined with the implementation of an optimization algorithm. The former allows to derive the characteristic time of relaxation of the system as a function of spatial frequencies. The latter enables to obtain viscoelastic properties from the probe particles displacement. The Mebiol gel represents a model system since its structure is highly sensible to temperature and concentration variations. For this reason, we have designed and developed a thermal cell by using two Peltier moduli and a sapphire substrate in order to analyse the specimen at different temperatures. This study has allowed us to obtain with success the Mebiol viscoelastic properties that contributes to the characterization of this gel.

L’obiettivo di questo lavoro è caratterizzare gel fisici estrapolandone le proprietà viscoelastiche attraverso un’analisi microreologica. I gel fisici sono solidi disordinati termoreversibili altamente porosi caratterizzati da deboli legami interni transienti la cui forza è paragonabile all’energia termica. Il focus dell’analisi e’un gel polimerico commercialmente noto come Mebiol Gel c , la cui temperatura di transizione sol-gel è molto vicina a quella fisiologica. Inoltre presenta numerose applicazioni dal punto di vista biomedico, come ad esempio la coltura cellulare. Il Mebiol gel è completamente trasparente alla luce bianca sia in fase liquida che in fase gel. Per questo motivo è stato necessario inserire delle particelle sonda all’interno del campione. In più, rispetto alle misure reologiche tradizionali presenti in letteratura, l’analisi microreologia consente di valutare le proprietà viscoelastiche su scale temporali comparabili ai tempi caratteristici di variazione del gel. Per ricavare le proprietà del fluido è stata utilizzata la Differential Dynamic Microscopy (DDM) combinata all’implementazione di un algoritmo di ottimizzazione. La prima permette di ricavare i tempi di rilassamento del sistema associati alle diverse frequenze spaziali attraverso l’utilizzo di un tradizionale microscopio ottico. Mentre il secondo consente di ricavare le proprietà viscoelastiche a partire dallo spostamento delle particelle sonda. Il Mebiol gel rappresenta un sistema modello in quanto la sua struttura è estremamente sensibile alle variazioni di temperatura e di concentrazione. Per questo motivo, è stata ideata e sviluppata una cella termica attraverso l’impiego di due moduli Peltier e un substrato di zaffiro per analizzare il campione alle diverse temperature a due diverse concentrazioni. Questo studio ha consentito di estrapolare con successo le suddette grandezze macroscopiche, che contribuiscono alla caratterizzazione di questo gel.