Effects of NaCl and alginate concentrations on the rheological properties of aqueous solutions and hydrogels

This thesis work context is the production of sodium alginate based hydrogels to be used as mucus models, aimed at describing its role in different organs. Sodium Alginate Hydrogels proved to be effective in reproducing the mechanical properties and diffusivity of both physiological and pathological mucus. However, the physiological salt concentration typical of the different body districts must be considered in the formulation of a specific mucus model. Indeed, the polymeric chains of Sodium Alginate acquire negative charges when dissolved in polar solvents, and the variation of the ionic strength of the solution may therefore strongly influence the molecular conformations, and consequently the rheological properties of the whole system. Starting on these premises, this work aims at systematically investigating the effect of NaCl content on the structure and rheological behavior of Sodium Alginate based systems, starting from aqueous solutions. The effect of NaCl addition on alginate solutions proved to be bivalent: viscosity decreases at low concentrations and increases at high concentrations. A similar effect is expected also for gels, and this may represent a first step in the correlation between solution and gel properties.

L’argomento di questa tesi si inserisce nel contesto dei modelli bio-ingegneristici con lo scopo di studiare il ruolo del muco nei diversi organi. Gli idrogel di Alginato di Sodio si sono rivelati ottimi nel riprodurre le caratteristiche meccaniche e diffusive del muco, sia fisiologico che patologico. Tuttavia, anche la salinità tipica dei differenti organi del corpo deve essere tenuta in considerazione nella formulazione di un modello specifico. È infatti noto che le catene polimeriche dell’alginato acquistano carica negativa quando dissolte in solventi polari, e che la variazione della salinità della soluzione può influenzare le conformazioni molecolari, e di conseguenza anche le proprietà viscoelastiche dell’intero sistema. Partendo da queste premesse, questo lavoro ha come scopo lo studio sistematico dell’effetto della concentrazione di cloruro di sodio sulla struttura e sulle proprietà reologiche di sistemi di Alginato di Sodio, a cominciare dalle sue soluzioni acquose. L’aumento della salinità in soluzione ha dimostrato un effetto bivalente: a basse concentrazioni di alginato, la viscosità cala con l’aggiunta di NaCl; ad altre concentrazioni, si nota invece un aumento. La conferma di un simile effetto nei gel è rimandata tuttavia a ricerche future.