Stimulus-Responsive Transport Properties of Nanocolloidal Hydrogels

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作者
Yuhang Huang,Sofia M. Morozova,Terek Li,Shangyu Li,Hani E. Naguib,Eugenia Kumacheva
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:24 (3): 1173-1183 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.2c01222
摘要

Applications of polymer hydrogels in separation technologies, environmental remediation, and drug delivery require control of hydrogel transport properties that are largely governed by the pore dimensions. Stimulus-responsive change in pore size offers the capability to change gel's transport properties "on demand". Here, we report a nanocolloidal hydrogel that exhibits temperature-controlled increase in pore size and, as a result, enhanced transport of encapsulated species from the gel. The hydrogel was formed by the covalent cross-linking of aldehyde-modified cellulose nanocrystals and chitosan carrying end-grafted poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAm) molecules. Owing to the temperature-mediated coil-to-globule transition of pNIPAm grafts, they acted as a temperature-responsive "gate" in the hydrogel. At elevated temperature, the size of the pores showed up to a 4-fold increase, with no significant changes in volume, in contrast with conventional pNIPAm-derived gels exhibiting a reduction in both pore size and volume in similar conditions. Temperature-mediated transport properties of the gel were explored by studying diffusion of nanoparticles with different dimensions from the gel, leading to the established correlation between the kinetics of diffusion-governed nanoparticle release and the ratio nanoparticle dimensions-to-pore size. The proposed approach to stimulus-responsive control of hydrogel transport properties has many applications, including their use in nanomedicine and tissue engineering.

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