琼脂糖凝胶的粘弹性行为测定

琼脂糖水凝胶由于其生物相容性、固有的类组织粘弹性力学性能以及易于铸造成复杂形状和尺寸，正迅速成为一种受欢迎的可植入支架材料。水凝胶植入物已被用于需要结构完整性的应用，如软骨和皮肤。由于软骨的一个关键功能作用是力阻尼，任何潜在的替代品必须能够承受高冲击负荷。这一系列实验使用了电力^®3200测试仪器来表征琼脂糖凝胶在高频下的动态力学性能。

琼脂糖水凝胶动态模量和Tan Delta的测定

Murakami博士和Sawae博士是日本九州理工学院的首席研究员，他们对研究低浓度琼脂糖凝胶在高频下的力学行为(动态模量和tan delta)很感兴趣。为了实现这一点，ElectroForce 3200测试仪器结合WinTest®软件，在0.1 Hz到100 Hz的频率范围内，在不同的平均位移下进行DMA(动态力学分析)实验。

测试过程

1%和2% (wt.)琼脂糖凝胶由琼脂糖VII型粉末(Sigma-Aldrich)生产，采用村上博士提供的标准凝胶协议。从大块凝胶中切下的试样直径约为18毫米，高度约为2.5毫米。使用直径为50毫米的实心模板来固定样品。一个电力3200测试仪在这些实验中，装有1000g测压元件。DMA被设置为在一个平均位移范围内从0.1 Hz到100 Hz的频率扫描。

这些平均振幅，通过拉伸比测量，范围从0.99到0.70，其中拉伸比λ被定义为λ=ℓ/ L₀，其中l为装载高度，l为装载高度₀为卸载高度。位移幅值为卸载高度的±0.5%。

DMA的结果

DMA软件在实验结束后立即产生可用的结果。其中一个例子是图1所示的复模量。随着频率的增加，复模量逐渐增大。此外，软件还生成存储模量和损耗模量两个组件。

图1．在λ = 0.9时琼脂糖模量为1%

低频时对复模量的贡献近似相等，而高频时储能模量占主导地位。这表明在更高的频率上耗散的能量更少。

虽然这个图提供了对λ = 0.9的材料行为的洞察，有一个广泛的其他加载场景，这种材料可以经历。图2和图3量化了材料在不同平均拉伸比下的响应。对于1%琼脂糖凝胶，Tan delta表示位移和载荷之间的相移。在较低的频率有一个大得多的相移。这种影响可以从图1中理解，因为损耗模量在较高频率下对复模量的贡献不大。

图2．1%琼脂糖，Tan δ在不同的平均λ

图3．1%琼脂糖，不同平均模量λ

图3，不同λ下的复模量，提供了对材料行为的更深入的了解。也可以看出，随着平均拉伸比的减小(即材料压缩程度的增加)，材料的模量显著增加。通过分析这个图表以及图2中的tan delta信息，可以看出材料的性能取决于预拉伸。随着拉伸比的减小，损耗模量对复模量的贡献大大减小。因此，当材料最初受到更大的压缩时，其行为类似于更纯的弹性材料。

不同浓度的2%琼脂糖凝胶也有类似的结果。在较低频率下，2%琼脂糖凝胶的Tan delta小于1%琼脂糖凝胶(图4)。此外，如图5所示，2%琼脂糖凝胶的复模量大于1%琼脂糖凝胶的复模量。

在三维空间中绘制这些数据可以进一步理解实验结果，如图6所示。这张图显示了1%琼脂糖凝胶的复模量作为频率和平均拉伸比的函数。一个曲面可以用数学模型来匹配这些数据，从而获得预测能力。类似的图形可以显示tan delta作为平均拉伸比和频率的函数。

图4．2%琼脂糖，Tan δ在不同的平均λ

图5．2%琼脂糖，模量在不同的平均λ

将tan delta引入模型将进一步增强模型的预测能力。通过对材料行为、支架设计参数和琼脂糖凝胶的临床应用的了解，可以在开发之前了解琼脂糖凝胶。

图6．1%琼脂糖，复模量

总结

这一系列的实验证明ElectroForce®3200测试仪器能够在所需的高频率下工作，同时测量精度和精度小量级负载。具有多种选择的称重传感器和压板，ElectroForce 3200非常适合用于测试弱粘弹性材料。亚博网站下载

该信息已从TA Instruments提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问助教的仪器．