Načrtovanje kompleksnih biopolimernih hidrogelov za časovno kontrolirano sproščanje prebavljivih ogljikovih hidratov z namenom zagotavljanja dolgotrajne energije med vzdržljivostnimi športnimi aktivnostmi

magistrsko delo

Blaž Mujdrica (Avtor), Tilen Kopač (Mentor), Rok Ambrožič (Član komisije za zagovor), Aleš Ručigaj (Član komisije za zagovor)

Povzetek

Alginatni hidrogeli predstavljajo pomembno področje raziskav na področju sistemov za nadzorovano sproščanje učinkovin, saj njihova specifična polimerna struktura omogoča postopno sproščanje v odvisnosti od zunanjih pogojev, kot so pH, temperatura in ionska sestava okolja. Zaradi teh lastnosti so še posebej primerni za uporabo v farmacevtski in prehranski industriji, kjer je ključno natančno uravnavanje sproščanja bioaktivnih učinkovin. V magistrskem delu sem preučeval alginatno-kalcijeve hidrogele kot potencialne materiale za nadzorovano sproščanje prebavljivih ogljikovih hidratov, natančneje glukoze, ter analiziral kinetiko sproščanja glede na sestavo hidrogela. Cilj raziskave je bil določiti vpliv koncentracije glukoze, alginata in zamreževala CaCl₂ na sproščanje glukoze ter opredeliti, kateri mehanizmi snovnega prenosa prevladujejo pri različnih formulacijah. Poudarek je bil na razvoju hidrogelnih sistemov, ki omogočajo prilagodljivo sproščanje sladkorjev v prebavnem traktu, s ciljem optimizacije formulacij za izboljšano dostavo energije med vzdržljivostnimi športnimi aktivnostmi. Eksperimentalni del je vključeval pripravo alginatnih hidrogelov z različnimi koncentracijami glukoze (15–60 %), alginata (1,5–3,5 %) in zamreževala CaCl₂ (0,10–0,75 %), pri čemer sem spremljal vpliv teh parametrov na kinetiko sproščanja glukoze v simuliranem gastrointestinalnem okolju. Za kvantifikacijo mehanizmov sproščanja sem uporabil različne matematične modele, vključno s Higuchijevim, Korsmeyer-Peppasovim, Weibullovim modelom ter modelom prvega reda. Na podlagi analize prileganja eksperimentalnih podatkov sem ugotovil, da Weibullov model najnatančneje opisuje kinetiko sproščanja glukoze iz hidrogelov, kar potrjuje kompleksen mehanizem, ki vključuje kombinacijo difuzije in mehanske degradacije hidrogela. Rezultati so pokazali, da višja koncentracija glukoze povzroči večji koncentracijski gradient med hidrogelom in zunanjim medijem, kar vodi do hitrejšega sproščanja glukoze. Poleg tega večja koncentracija glukoze ovira interakcije med polimernimi verigami alginata, kar posledično zmanjša gostoto zamreženja hidrogela pri enaki koncentraciji alginata in CaCl₂. To privede do manj povezane strukture in povečanja velikosti por v polimerni mreži, kar še dodatno pospeši sproščanje. Nasprotno pa višje koncentracije alginata in CaCl₂ spodbujajo tvorbo gostejše in bolj zamrežene polimerne mreže, kar upočasni sproščanje glukoze zaradi otežene difuzije skozi manjše pore. Poleg tega sem eksperimentalno določene difuzijske koeficiente primerjal s teoretično napovedanimi vrednostmi in ugotovil odstopanja, ki nakazujejo na prisotnost dodatnih mehanizmov sproščanja, kot sta nabrekanje in erozija hidrogela. Na podlagi teh ugotovitev bi bilo mogoče zasnovati ciljno usmerjene prehranske dodatke za športnike in posameznike z različnimi presnovnimi potrebami, ki bi zagotavljali optimalno oskrbo z ogljikovimi hidrati in zmanjšali prebavne obremenitve med dolgotrajnimi fizičnimi napori. Razvoj hidrogelnih formulacij, ki omogočajo prilagojeno sproščanje sladkorjev glede na stopnjo telesne aktivnosti, bi lahko prispeval k izboljšanju športne zmogljivosti in hitrejši regeneraciji.

Ključne besede

hidrogeli;alginat;kinetika sproščanja;sproščanje glukoze;matematično modeliranje;magistrska dela;

Podatki

Jezik:	Slovenski jezik
Leto izida:	2025
Tipologija:	2.09 - Magistrsko delo
Organizacija:	UL FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Založnik:	[B. Mujdrica]
UDK:	678:547.458(043.2)
COBISS:	234508291
Št. ogledov:	76
Št. prenosov:	15
Ocena:	0 (0 glasov)
Metapodatki:

Ostali podatki

Sekundarni jezik:	Angleški jezik
Sekundarni naslov:	Design of complex biopolymer hydrogels for time-controlled release of digestible carbohydrates to provide sustained energy during endurance sports activities
Sekundarni povzetek:	Alginate hydrogels represent a significant area of research in controlled release systems, as their specific polymeric structure enables gradual release depending on external conditions such as pH, temperature, and ionic composition of the environment. Due to these properties, they are particularly suitable for applications in the pharmaceutical and food industries, where precise regulation of bioactive compound release is essential. In this master's thesis, I investigated alginate-calcium hydrogels as potential materials for controlled release of digestible carbohydrates, specifically glucose, and analyzed the release kinetics based on hydrogel composition. The objective of the research was to determine the influence of glucose, alginate, and cross-linking agent CaCl₂ concentrations on glucose release and to identify the dominant mass transport mechanisms in different formulations. The focus was on developing hydrogel systems that enable adjustable sugar release in the digestive tract, aiming to optimize formulations for improved energy delivery during endurance sports activities. The experimental part included the preparation of alginate hydrogels with varying concentrations of glucose (15–60 %), alginate (1.5–3.5 %), and cross-linking agent CaCl₂ (0.10–0.75 %), while monitoring the impact of these parameters on glucose release kinetics in a simulated gastrointestinal environment. To quantify the release mechanisms, various mathematical models were employed, including the Higuchi, Korsmeyer-Peppas, Weibull, and first-order models. Based on the analysis of experimental data fitting, it was found that the Weibull model most accurately describes the kinetics of glucose release from hydrogels, confirming a complex mechanism involving a combination of diffusion and mechanical degradation of the hydrogel. The results showed that a higher glucose concentration creates a larger concentration gradient between the hydrogel and the surrounding medium, leading to faster glucose release. Additionally, a higher glucose concentration hinders the interactions between alginate polymer chains, which consequently reduces the crosslinking density of the hydrogel at the same alginate and CaCl₂ concentrations. This results in a less connected structure and an increase in pore size within the polymer network, further accelerating the release. In contrast, higher concentrations of alginate and CaCl₂ promote the formation of a denser and more crosslinked polymer network, which slows down glucose release due to more difficult diffusion through smaller pores. Furthermore, the experimentally determined diffusion coefficients were compared with theoretically predicted values, revealing discrepancies that indicate the presence of additional release mechanisms, such as swelling and hydrogel erosion. Based on these findings, targeted nutritional supplements could be developed for athletes and individuals with varying metabolic needs, ensuring optimal carbohydrate supply and reducing digestive strain during prolonged physical exertion. The development of hydrogel formulations that enable tailored sugar release based on physical activity levels could contribute to enhanced athletic performance and faster recovery.
Sekundarne ključne besede:	hydrogel;alginate;release kinetics;mathematical modeling;Biopolimeri;Ogljikovi hidrati;Univerzitetna in visokošolska dela;
Vrsta dela (COBISS):	Magistrsko delo/naloga
Študijski program:	1000376
Komentar na gradivo:	Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo, smer Kemijsko inženirstvo
Strani:	1 spletni vir (1 datoteka PDF (75 str.))
ID:	26225420