Master's Thesis

Structural and thermodynamic aspects of interactions between alginate and metal ions

Final Thesis 1.53 MB

Author of thesis: Bc. Michal Kianička

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc.

Abstract:

This thesis focuses on the detailed study of interactions between alginate systems and selected multivalent cations (Ca2+, Ba2+, Cu2+, Mg2+). The main objective was to clarify the mechanism of their cross-linking and complexation at the structural and thermodynamic level. The research proceeded from an initial screening of binding mechanisms on pure homooligomeric units of guluronic (G) and mannuronic (M) acid, through the analysis of their defined mass mixtures, to the application of the developed models to complex commercial alginates. For a comprehensive characterization of these processes, a combination of analytical techniques was employed, including conductometry, dynamic light scattering (DLS), turbidimetry, and detailed thermodynamic analysis using ITC.
The results confirmed that cross-linking is a multiphase process that strongly depends on chain conformation and the properties of the multivalent ion. Detailed analysis revealed that Ca2+ exhibits a strong affinity and selectivity for poly G, while its interaction with poly M is significantly limited. Ba2+ acts similarly selectively, also showing a dominant affinity for G blocks, and due to its low desolvation energy, it forms the thermodynamically most stable networks with them. Cu2+ behaves entirely specifically; their coordination is not spatially restricted and they can effectively saturate binding sites on both poly G and poly M, although they are much more effectively immobilized within the poly G structure. Conversely, Mg2+ is unable to overcome its hydration barrier with either homooligomer, and its interaction is strictly limited to non-specific electrostatic association. The thesis thus provides a comprehensive view of the relationships between the primary structure of alginates and the type of multivalent ions.

Keywords:

alginate, cross-linking, egg-box model, conductometry, dynamic light scattering, thermodynamics of interactions, multivalent cations

Date of defence

21.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba proběhla podle následujícího schématu: prezentace studentky-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Studentka přednesla výborný výtah výsledků své diplomové práce, řádně zodpověděla všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagovala na připomínky. V diskusi tak studentka prokázala výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky diplomové práce. Komise zhodnotila její diplomovou práci celkově jako výbornou. Pekař: Jak si vysvětlujete oboustranný pík u ITC s vápenatými ionty?

Language of thesis

Slovak

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
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D.

Bc. Michal Kianička se ve své diplomové práci věnoval systematickému studiu interakcí alginátu a jeho strukturních komponent, konkrétně homooligomerních úseků kyseliny guluronové a manuronové, s vybranými kovovými ionty. Obecným cílem práce bylo přispět k hlubšímu pochopení termodynamických aspektů těchto interakcí a jejich role v procesu gelace alginátu.



Zvolené téma kladlo na studenta nadstandardní nároky zejména z hlediska šíře teoretického záběru i zvládnutí různorodých metodologických přístupů, zahrnujících konduktometrii, potenciometrii, rozptylové a kalorimetrické techniky. Rád konstatuji, že se student tohoto náročného tématu zhostil velmi dobře.

Především v závěrečné etapě experimentální práce pracoval intenzivně a prokázal vysokou míru samostatnosti, a to nejen při vlastní laboratorní činnosti, ale také při práci s odbornou literaturou a aplikaci literárních poznatků při interpretaci dosažených výsledků i plánování navazujících experimentálních kroků. Díky tomu se mu podařilo shromáždit cenný soubor originálních experimentálních dat s jednoznačným publikačním potenciálem.



Diplomovou práci Bc. Michala Kianičky doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm „Výborně“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce B
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce Michala Kianičky se zabývá zkoumáním interakcí alginátů, resp. jeho modelových analogů s kovovými ionty. Vlastní práce má necelých sedmdesát stran, doplněných o několik stran příloh (dalších ukázek experimentálních dat). Rozsah práce je adekvátní, struktura tradiční. Obsahuje i část definující cíle práce, což zmiňuji proto, že někdy chybívá.
Formální úprava se při odevzdávání pouze elektronické verze hodnotí obtížně. Měl jsem k dispozic pracovní výtisk, který se jevil slušně. Při různorodosti zkoumaných vzorků bych uvítal podrobnější popisky obrázků, aby bylo plně jasné, o jaký konkrétní systém jde a jaký přesně technický postup obrázek znázorňuje. Např. u obr. 19 (str. 46) není jasné, co přesně bylo v kyvetě. Exo- a endo-směr je vhodné uvádět i v obrázcích, přímo v textu se tato informace ztratí, zejména je-li uvedena jen jednou.
Z odborného hlediska mi není moc jasný pojem neutrální polyelektrolyt (str. 8) a jak souvisí se základní vlastností (poly)elektrolytů – schopností disociace. Rovnice (2) (str. 18) vypadá jako definice Gibbsovy energie či samovolnosti, ale jde jen o důsledek spojení prvé a druhé věty u jednoduchých (uniformních) systémů v rovnováze za konstantní teploty. Jednotky na obr. 15 a 16, i jinde, co se týká Z-Ave, vypadají podivně, není jasné, jak souvisejí s pracovním rozsahem přístroje. Zatímco u použitých alginátů je uvedena molekulová hmotnost, u jejich strukturních (pod)modelů chybí. Na str. 45 to v diskusi vypadá, že by měď měla tvořit vodíkové můstky, což zřejmě nebude. V diskusi obr. 22 na str. 46 se mluví o rychlosti, ale kinetické studie prováděny nebyly. Symbol deltaQ (str. 52 a dále) je nevhodný, buď jde prostě o teplo (Q), nebo o změnu entalpie (deltaH).
Turbidimetrická měření je potřeba provádět mimo absorpci světla zkoumaných systémů. Obr. 19 (str. 44) tuto informaci asi neposkytuje, související diskuse to nerozebírá. Zejména obr. 29 (str. 52) obsahuje snad při jediném titračním přídavku (z obrázku není zřetelné) současně exo- i endotermický pík, škoda že tento zvláštní jev není podrobněji diskutován. Naopak opakované kolísání signálu pro měď v závislosti na příslušném molárním poměru (obr. 16 na str. 42) je pro diskusi docela důležité. Takováto kolísání budí pozornost z hlediska relevance, reprodukovatelnosti ap., což diskutováno není.
Souhrnně. Práce přináší nové poznatky o interakci mezi alginátem a kovovými ionty, z hlediska elektrochemie, termodynamiky i související agregace. Diplomant prokázal schopnost samostatné tvůrčí práce v oblasti chemie, po stránce experimentální i teoretické. Doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Je tedy kolísání dat pro měď na obr. 18 významné, jak bylo reprodukovatelné?
  2. V souvislosti s měřením turbidity a DLS – bylo něco možno pozorovat i pouhým okem, včetně rozdílů mezi jednotlivými systémy?
  3. Nebyla informace o zastoupení G a M jednotek u použitých alginátů? Aspoň zda bylo podobné, odlišné?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová