Effect of the sodium alginate concentration and the ionic strength on the rheological properties of sodium alginate-based hydrogels

The scope of this thesis work is the production of sodium alginate (SA) solutions and SA-based hydrogels and the rheological characterization of these materials to investigate the effect of SA concentration and the ionic strength. The interest in the SA-based hydrogels comes from their potential use for in vitro mucus models. These hydrogels have proved to be successful at mimicking the complex structure and the mechanical properties of physiological and pathological mucus. Considering that the mucus viscoelasticity depends on physicochemical factors such as salt concentration, an investigation on the ionic strength effect on the proposed in vitro models was required, which in turn established the grounds of our work. Viscosity of the solutions and the dynamic moduli of the hydrogels showed an increasing trend with SA concentration. However, the effect of ionic strength seemed to be bivalent. The viscosity of the solutions at low SA concentration decreased by NaCl addition while it increased when the SA concentration was high. A similar effect was reported for the dynamic moduli of the hydrogels: G' and G'' decreased by NaCl addition at low SA concentrations, however after a certain SA concentration was reached, they started to show an increasing trend. Moreover, we looked for a meaningful correlation between viscosity of the solutions and dynamic moduli of the hydrogels. A map which connects these properties was presented, however the correlation between these properties seems to be more complex, hence further studies are required to reveal it.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la produzione di soluzioni di alginato di sodio (SA), di idrogeli a base di SA e la loro caratterizzazione reologica per studiare l'effetto della concentrazione del e della forza ionica. L'interesse per gli idrogel a base di SA deriva dal loro potenziale utilizzo per modelli di muco in vitro. Questi idrogel si sono rivelati efficaci nell'imitare la struttura complessa e le proprietà meccaniche del muco fisiologico e patologico. Considerando che la viscoelasticità del muco dipende da fattori fisico-chimici come la concentrazione di sale, è stata necessaria un'indagine sull'effetto della forza ionica sui modelli in vitro proposti, che a sua volta ha stabilito le basi del nostro lavoro. La viscosità delle soluzioni e il valore dei moduli dinamici degli idrogeli hanno mostrato un andamento crescente con la concentrazione di SA. Tuttavia, l'effetto della forza ionica sembrava essere bivalente. La viscosità delle soluzioni a bassa concentrazione di SA diminuisce con l'aggiunta di NaCl, mentre aumenta quando la concentrazione di SA è in crescita. Un effetto simile è stato riportato per i moduli dinamici degli idrogel: G' e G'' diminuiti in caso di NaCl a basse concentrazioni di SA, tuttavia dopo che è stata raggiunta una certa concentrazione di SA, hanno iniziato a mostrare una tendenza all'aumento. Inoltre, abbiamo cercato una correlazione significativa tra viscosità delle soluzioni e moduli dinamici degli idrogel. È stata presentata una mappa che collega queste proprietà, tuttavia la correlazione tra queste proprietà sembra essere più complessa, quindi sono necessari ulteriori studi per rivelarla.