25737

مدل‌سازي و شبيه‌سازي رهايش سامانه هيدروژلي پاسخگو به دما و pH

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

99-00

1400/8/27

دكتر اميد وحيدي

دكتر سيد مرتضي نقيب

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در سال‌هاي اخير، هيدروژل‌هاي حساس به محرك‌‌ها توجه زيادي را به دليل پتانسيل خود در طيف گسترده‌اي از كاربردهاي متنوع، به ويژه در زمينه‌هاي زيست پزشكي و زيست فناوري، جلب كرده‌اند. براي اين كاربردها، هنگام طراحي سيستم كلي، درك سينتيك تغيير شكل و تورم تعادلي هيدروژل‌ها مهم است. از آنجاييكه حساسيت و رهايش هيدروژل‌ها در دارورساني مشخص شده، موجب افزايش علاقه به استفاده آن‌ها در حوزه داروها شده است. از اين رو، نيازمند به درك كامل از مشخصه‌هاي هيدروژل‌ها در پاسخگويي به شرايط محيطي همچون pH، دما، نور، غلظت، صوت، موج و... مي‌باشد. اين تحقيق به پديده‌هاي انتقال و تغييرشكل هيدروژل‌هاي حساس به محرك‌ها با يك هدف اصلي مي‌پردازد؛كه شامل مطالعه فيزيك بنيادي، شيمي هيدروژل‌هاي حساس به محرك‌ها و فرآيند تورم است. پاسخ هيدروژل را مي‌توان با معادلات مختلف فيزيكي بواسطه موازنه جرم، بار، انرژي و نيرو، با ايجاد فشار اسمزي در هيدروژل كه منجر به تورم / انقباض آن مي‌گردد، توضيح داد. در اين تحقيق مدل رياضي متشكل از معادلات نرنست-پلانك، پواسون و موازنه نيرو براي تركيب انواع يون‌ها و داروها همراه با تغيير شكل هيدروژل تحت فشار اسمزي ارائه شده است. شبيه سازي تورم در شرايط پايا با تاكيد بر پاسخ به pH و دما بصورت مجزا و همزمانانجام شده است. به اين صورت كه، اثر محرك‌هاي دما و pH بر هيدروژل را به‌ترتيب به فشار اسمزي حاصل از اختلاط و نفوذ يون‌ها ارتباط مي‌دهد؛ اولي بر اساس مدل ترموديناميك مولكولي و دومي بر اساس مدل الكترو-شيميايي-مكانيكي عمل مي‌كنند. براي شبيه‌سازي از نرم‌افزار اجزاء محدود COMSOLو براي اعتبار سنجي، از داده‌هاي تجربي موجود در ساير مراجع استفاده شده است.در اين پروژه، تورم هيدروژل هيدروكسي اتيل متاكريلات(HEMA)در اثر تغيير دما 0-40 درجه سانتيگراد و همچنين تغيير pHدر محدوده 2-11 در حالت‌هاي مجزا و ادغام شده مورد بررسي قرار گرفته است؛ به همين ترتيب اثر پارامترهاي بكار رفته در مدل‌ها مورد مطالعه قرار مي‌گيرد و نتايج با داده‌هاي تجربي منتشر شده مقايسه مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه نتايج مدل رياضي مطابقت مناسبي با نتايج تجربي بيان شده در مراجع دارد.

1400/09/27

Modeling and Simulation of pH- / Temperature-Responsive Hydrogels

11/18/2022 12:00:00 AM

In recent years, stimulus-sensitive hydrogels have attracted much attention due to their potential in a wide variety of applications, especially in the fields of biomedicine and biotechnology. For these applications, when designing the overall system, it is important to understand the deformation kinetics and equilibrium swelling of the hydrogels. Since the sensitivity and release of hydrogels in drug delivery has been identified, it has increased interest in their use in the field of drugs. Therefore, it requires a complete understanding of the characteristics of hydrogels in response to environmental conditions such as pH, temperature, light, concentration, sound, wave, and so on. This research deals with the phenomena of transfer and deformation of stimulus-sensitive hydrogels with one main goal; which includes the study of fundamental physics, chemistry of stimulus-sensitive hydrogels and the swelling process. The response of a hydrogel can be explained by various physical equations by balancing mass, charge, energy and force by creating an osmotic pressure in the hydrogel that causes it to swell / contract. In this research, a mathematical model consisting of Nernst-Planck, Poisson, Heat and force balance equations for combining ions and drugs with deformation of hydrogels under osmotic pressure is presented. Swelling simulation in steady-state conditions is performed separately and simultaneously with emphasis on pH and temperature response. In this way, the effect of temperature and pH stimuli on the hydrogel is related to the osmotic pressure resulting from the mixing and diffusion of ions, respectively; The former are based on the molecular thermodynamic model and the latter are based on the electro-chemical-mechanical model. For simulation, COMSOL finite element software was used and for validation, experimental data from other sources were used. In this study, swelling of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) hydrogel in range of 0-40 C and pH 2-11 have been examined in separate and integrated cases; Similarly, the effect of the parameters used in the models is studied and the results are compared with the published experimental data. The simulation results show that the results of the mathematical model are in good agreement with the experimental results expressed in the references..

سامانه دارو رساني , حساس به اسيديته , حساس به دما , مدلسازي رياضي , نرنست-پلانك , پواسون , كامسول