Rheology of Hydrogels
Sarah Cotts | Morgan Ulrich
June 20, 2022
水凝胶的表征与应用
水凝胶为三维多孔隙结构，能够吸收大量的水分。水凝胶可由聚合物、蛋白质、多肽、胶体、表面活性剂或者脂类物质产生。1 水凝胶具有超强的吸水能力，因此可应用于许多生物学领域，包括药物递送和组织工程。吸收水分后水凝胶的性质会发生改变，因此科学家们需要准确表征水凝胶在不同水饱和度以及在变化条件下的行为特性。
天然形成水凝胶的一个示例是胶原蛋白，它是人体主要的结构蛋白。胶原蛋白具有纤维特性，因此是构建组织结构的理想材料。胶原蛋白分子以长纤维的形式紧密排布在一起，而且某种确切的结构排布可以产生拉伸强度与钢相似但具有一定柔韧性的原纤维。
胶原蛋白非凡的结构特性和生物相容性使其成为一种使用广泛的材料，特别是用于组织工程中的基础框架材料。2 胶原蛋白是一种天然材料，其质量在不同的样品间存在差异。因此，以胶原蛋白为基础材料制造具有一致性能的产品往往存在挑战性。但是，天然起始原料所固有的差异性难题并非不可战胜，我们需要的仅仅是进行正确的材料性能测试，以预测材料在最终应用中的
行为。
在本博客中，我们将使用胶原蛋白作为对水凝胶进行表征的主要示例。但是，同样的技术也可应用于任何材料来源的任何水凝胶。
水凝胶流变学
流变学是衡量液体和固体的流动和变形行为的学科，是研究如胶原蛋白等水凝胶的一个理想方法。水凝胶具有固有的粘弹性质，也就是说，它们可同时表现出粘性行为和弹性行为。动态（振荡）流变学可对这些复杂材料进行表征，并给出粘弹性的定量测量报告：
- 储能模量：使样品发生扭曲需要施加的能量
- 损耗模量：材料变形后恢复其原有形状时所损失的能量
- 损耗角正切：损耗模量与储能模量的比值，该指标用于测量水凝胶的阻尼能力
在试图了解不同水凝胶样品在交联度、玻璃化转变、异质性和分子量方面存在的差异以及这些差异如何影响最终的使用性能时，对这些粘弹性指标进行测量至关重要。1 流变仪可轻松测量粘弹性，是优化上述特性的理想工具。
另一个重要指标是屈服应力，该指标对于衡量水凝胶也很关键。很多水凝胶均为可注射性材料，而屈服应力之所以重要的原因是，该指标决定了在注射点保留水凝胶的程度。剪切响应也决定了水凝胶溶液在注射时的难易程度。
不同的胶原蛋白起始材料可以具有非常不同的物理和热学性质，研究者们需要在实际应用条件下对胶原蛋白进行详细表征，以选择用于特定用途的最佳材料。3 流变学测试设备的快速筛选能力使得胶原蛋白的工业生产既高效又具有成本效益。
选择最佳水凝胶流变仪
进行高质量、可重复的流变学测量需要使用合适的测试设备。TA Instruments 在设计和生产材料特性的测试系统领域（包括流变学）位于全球领先地位。
我们的标志性流变仪Discovery 混合流变仪（DHR）是行业领先的流变学测量仪器。DHR 便于使用，测试范围广泛，可以执行对表征水凝胶至关重要的多种标准和高级分析测量。
Discovery 混合流变仪 (HR)
Discovery 混合流变仪可通过多种标准操作程序对胶原蛋白水凝胶进行质量控制，包括粘弹性评估，以及评估在哪些压力条件下变形水凝胶的弹性开始消失。4该项评估对水凝胶而言尤其重要，因为在很低的应变百分数下表现出此类粘弹性的样品将不适用于制备终产品。Discovery 混合流变仪使得快速筛选出最适合于特定医疗应用的候选材料成为了可能。
Discovery 混合流变仪的设计目的是在简单和高级测量中均易于使用。仪器与 TRIOS AutoPilot 软件也是兼容的，可以创建自动化常规程序，包括测量、分析和生成报告。对于时间是其关键考量因素的工业生产而言，该软件可加速决策制定进程并缩短新用户的培训时间。
对于流变学测量，Discovery 混合流变仪拥有多个温度系统和温度室，包括一个相对湿度系统，该系统可用于在不同环境条件下测量吸湿性水凝胶。
Discovery 混合流变仪能够在同一台仪器上以不同的温度控制条件执行旋转流变学和线性动态力学分析。Discovery 混合流变仪拥有出色的灵敏度，因此可以测量多种硬度的材料，包括钢以及较柔韧的胶原蛋白。
欲了解更多的有关水凝胶的流变学评估，请阅读我们新列出的水凝胶流变学应用说明（rheology of hydrogels application note）。只需拨打电话或点击联系我们（contact us）即可获得个性化解决方案和专家建议，并了解 TA Instruments 流变仪可如何帮助您在处理复杂生物材料时提高效率和质量控制。
参考文献:
- Baby, D. K. (2020). Chapter 9 – Rheology of hydrogels. In Rheology of Polymer Blends and Nanocomposites. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816957-5.00009-4
- Dong, C., & Lv, Y. (2016). Application of Collagen Scaffold in Tissue Engineering: Recent Advances and New Perspectives. Polymers, 8(42), 1–20. https://doi.org/10.3390/polym8020042
- Meyer, M. (2019). Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. BioMedical Engineering OnLine, 18(24), 1–74. https://doi.org/10.1186/s12938-019-0647-0
- Perez-Puyana, V. et al. (2020). Fabrication and Characterization of Hydrogels Based on Gelatinised Collagen with Potential Application in Tissue Engineering. Polymers, 12(5):1146. https://doi.org/10.3390/polym12051146
其他资源
- Quantifying Polymer Crosslinking Density Using Rheology and DMA
- Characterization of Shape-Memory Polymers by DMA
- Determination of the Linear Viscoelastic Region of A Polymer Using a Strain Sweep on the DMA 2980
- Characterization of an Acrylic/Melamine Copolymer Blend by DSC and DMA
- Characterization of a Polymer Resin/Catalyst System by TGA, DSC, DMA
- Dynamic Mechanical Analyzers
- DMA 850
