Master's Thesis

Gellan-based gradient hydrogels: tunning of mechanical and transport properties through acetylation

Final Thesis 2.62 MB

Author of thesis: Ing. Martin Borovský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jitka Krouská, Ph.D.

Reviewer: Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Abstract:

The subject of this diploma thesis is the preparation and comprehensive characterization of gellan-based gradient hydrogels. The aim of the study was to prepare hydrogels with a gradient of physical-chemical properties, which was achieved in two ways, through additional cross-linking via diffusion of Ca2+ ions and by adjusting the ratio of high acyl and low acyl gellan gum. Subsequently, not only the characterization but also the verification of the gradient within these hydrogels was carried out using rheometry, diffusion experiments, and internal structure analysis of the corresponding freeze-dried xerogels via scanning electron microscopy. The different degrees of acetylation of high and low acyl gellan gum were also successfully demonstrated using infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance. The results showed that in the case of the gradient created by additional cross-linking with cations Ca2+ provides gradual increase in cross-linking density, which macroscopically manifests as an increase in stiffness and decrease in the rate of dye diffusion into the hydrogel. In hydrogels with gradient ratio of high/low acyl gellan gum, a continuous change in mechanical properties was observed by rheometrical testing. However, a non-linear gradient was observed in the case of transport properties, which is direct consequence of the diametrically different swelling characteristics of high and low acyl phases. Furthermore, the presence of inactivated cell debris from the production bacterial strain was detected and spectroscopically proven in hydrogels prepared from high acyl gellan gum. The obtained findings confirm that the mechanical and transport characteristics of hydrogels can be deliberately modulated through the controlled formation of a spatial gradient.

Keywords:

hydrogel, gradient, gellan, acylation, rheometry, diffusion

Date of defence

22.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student přednesl výborný výtah výsledků své práce, řádně zodpověděl všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagoval na připomínky. V diskusi tak student prokázal výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky práce. Komise zhodnotila jeho práci celkově jako výbornou. Obruča: Nemůžou být zbytky bakterií problém pro následnou aplikaci?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Processes and Materials of Medical Applications (BF)

Composition of Committee

doc. PharmDr. Ing. Radka Ješinová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jitka Krouská, Ph.D.

Bc. Martin Borovský zpracoval kvalitní diplomovou práci, při jejímž zpracování navázal na vlastní zkušenosti a poznatky, které prezentoval ve své bakalářské práci. V diplomové práci se věnoval se rozvíjení tématu gellanových hydrogelů, nyní především hydrogelů s gradientovou strukturou na základě různého stupně acylace gellanu. Gradientové hydrogely mají totiž obrovský aplikační potenciál. Diplomant využíval komerčně dostupný vstupní materiál, u kterého výrobce garantuje rozdílnou míru acylace. Student nejprve tyto informace ověřil pomocí spektroskopických technik, po úspěšném potvrzení těchto vlastností se věnoval důkladné optimalizaci přípravy gradientových hydrogelů. Inspiraci čerpal z literatury, ale detailní postup pro získání vhodného hydrogelu s gradientem byl zcela na diplomantovi. Šlo především o promyšlení celkového postupu přípravy tak, aby mohla být finální gradientová struktura ověřována vhodnými metodami. Musím podotknout, že tato optimalizační část byla časově náročná, ale diplomantovi se úspěšně podařilo vymyslet vhodný postup bez nutnosti větší asistence vedoucí nebo konzultanta. Při konzultacích, zejména v počátku experimentální práce, přicházel se spoustou nápadů, které realizoval a díky kterým se podařilo připravit požadovaný materiál. Hydrogely poté charakterizoval řadou metod a gradientovou strukturu v nich prokázal. Navíc ještě nad rámec požadavků této práce navrhl další možné způsoby zpracování dat, které už však z časových důvodů nebylo možné realizovat a zahrnout do této práce, avšak poslouží jako inspirace pro navazující studie.
Diplomová práce Bc. Martina Borovského poskytla tedy velmi cenné informace pro výzkumnou skupinu, která se hydrogely na FCH VUT zabývá, proto bude toto téma dále jistě rozvíjeno. Diplomantovi děkuji za precizní odvedenou práci a rovněž chválím kvalitní diskuzi a zpracování získaných experimentálních dat.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results A
Conclusions and Their Formulation A
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Martina Borovského se zaměřuje na velmi zajímavou a aktuální problematiku přípravy gradientových hydrogelů na bázi gellanu a řízení jejich mechanických a transportních vlastností prostřednictvím rozdílného stupně acylace a dodatečného síťování vápenatými ionty. Připravené hydrogely jsou následně charakterizovány pomocí reometrie, difuzních experimentů, SEM, FTIR a NMR. Vzhledem k rozsahu použitých experimentálních postupů je zřejmé, že šlo o poměrně obsáhlý a časově náročný úkol, se kterým se student velmi dobře vypořádal.
Diplomová práce v rozsahu 73 str. + 2 str. příloh je dle formálních zvyklostí správně rozdělena na jednotlivé dílčí části: úvod – 1 str., teorie – 13 str., rešerše současné literatury – 4 str., cíle práce – 1 str., experimentální část – 5 str., výsledky a diskuse – 30 str. a závěr – 4 str. Stěžejní částí práce je kapitola výsledků a diskuse, v níž student získaná data prezentuje přehledně, diskutuje je ve vzájemných souvislostech a vhodně je konfrontuje s odbornou literaturou, což hodnotím velmi pozitivně. V práci je využito celkem 52 zdrojů odborné literatury, což je adekvátní počet pro daný typ práce. Zdroje literatury jsou správně citovány dle ČSN ISO 690.
Teoretická část vhodně uvádí čtenáře do problematiky práce, menší výhradu však mám k pasáži věnované difuzním teoriím v hydrogelech. Ty jsou zde sice popsány, ovšem v experimentální části ani při vyhodnocení výsledků nejsou dále využity. Z formálního i jazykového hlediska je práce na velmi dobré úrovni. Text je psán dobrou, čtivou a srozumitelnou formou bez chyb nebo překlepů. Přesto se student místy nevyvaroval drobných formálních a věcných nepřesností (na str. 24 je PVAL hydrogel nesprávně označen jako polyvinylchloridový hydrogel; v textu jsou kombinovány pojmy gelace a gelovatění; na str. 28 student uvádí přípravu 2 hm.% gellanu rozpuštěním 0,2 g gellanu v 15 ml deionizované vody).
Za hlavní přínos práce považuji experimentální část a zejména velmi dobře zpracovanou kapitolu výsledků a diskuse. Student vhodně ověřil rozdílný stupeň acylace použitých typů gellanu pomocí FTIR a NMR a následně hydrogelové systémy charakterizoval z pohledu mechanických, transportních a strukturních vlastností. V případě gradientu vznikajícího dodatečným síťováním pomocí vápenatých iontů práce ukazuje postupný nárůst hustoty zesítění, který se projevuje zvýšením tuhosti hydrogelu a snížením rychlosti difuze barviva. U hydrogelů připravených kombinací vysoce acylovaného a deacylovaného gellanu byla pozorována plynulá změna mechanických vlastností, zatímco transportní vlastnosti vykazovaly nelineární průběh, což student vhodně diskutuje s ohledem na bobtnací charakteristiky. K experimentální části mám pouze jednu připomínku - na str. 50, u obr. 19, je prezentována difuze rhodaminu 6G vizualizovaná pomocí systému AzurBio, v práci však postrádám podrobnější popis uspořádání tohoto experimentu.
Diplomová práce Bc. Martina Borovského představuje velmi kvalitní závěrečnou práci, která přináší zajímavé výsledky v oblasti přípravy a charakterizace gradientových hydrogelů na bázi gellanu. Student splnil všechny cíle vytyčené v zadání práce a prokázal schopnost samostatné experimentální práce i interpretace výsledků v širších souvislostech. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě a navrhuji ji ohodnotit stupněm „výborně“ (A).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results B
Interpretation and Discussion of the Results A
Use of Literature and Citations A
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis B
Conclusions and Their Formulation A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Na str. 34 je u hydrogelů z vysoce acylovaného i deacylovaného gellanu po přídavku Ca2+ iontů popsán mírný pokles pH. Má pro to student nějaké vysvětlení?
  2. 2) Má student nějaké vysvětlení pro pozorovnaný zlom v trendu G* modulů u LA i HA gellanových hydrogelů s přídavkem Ca2+ (Tab. 2, str. 37)?
  3. 3) Co je příčinou rozdílného vzhledu LA a HA hydrogelů zobrazených na Obr. 28 (str. 58) (čirý vs. mléčně zakalený vzorek)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová