強(qiáng)文推薦 | 水凝膠的表征與應(yīng)用

TA儀器

2022.10.28

——引言

水凝膠為三維多孔隙結(jié)構(gòu)，能夠吸收大量的水分。它可由聚合物、蛋白質(zhì)、多肽、膠體、表面活性劑或者脂類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生。水凝膠具有超強(qiáng)的吸水能力，因此可應(yīng)用于許多生物學(xué)領(lǐng)域，包括藥物遞送和組織工程。吸收水分后水凝膠的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，因此科學(xué)家們需要準(zhǔn)確表征水凝膠在不同水飽和度以及在變化條件下的行為特性。

天然形成水凝膠的一個(gè)示例是膠原蛋白，它是人體主要的結(jié)構(gòu)蛋白。膠原蛋白具有纖維特性，因此是構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)的理想材料。膠原蛋白分子以長(zhǎng)纖維的形式緊密排布在一起，而且某種確切的結(jié)構(gòu)排布可以產(chǎn)生拉伸強(qiáng)度與鋼相似但具有一定柔韌性的原纖維。?

膠原蛋白非凡的結(jié)構(gòu)特性和生物相容性使其成為一種使用廣泛的材料，特別是用于組織工程中的基礎(chǔ)框架材料。膠原蛋白是一種天然材料，其質(zhì)量在不同的樣品間存在差異。因此，以膠原蛋白為基礎(chǔ)材料制造具有一致性能的產(chǎn)品往往存在挑戰(zhàn)性。但是，天然起始原料所固有的差異性難題并非不可戰(zhàn)勝，我們需要的僅僅是進(jìn)行正確的材料性能測(cè)試，以預(yù)測(cè)材料在最終應(yīng)用中的行為。

在本文中，我們將使用膠原蛋白作為對(duì)水凝膠進(jìn)行表征的主要示例。但是，同樣的技術(shù)也可應(yīng)用于任何材料來(lái)源的任何水凝膠。

水凝膠流變學(xué)

流變學(xué)是衡量液體和固體的流動(dòng)和變形行為的學(xué)科，是研究如膠原蛋白等水凝膠的一個(gè)理想方法。水凝膠具有固有的粘彈性質(zhì)，也就是說(shuō)，它們可同時(shí)表現(xiàn)出粘性行為和彈性行為。動(dòng)態(tài)（振蕩）流變學(xué)可對(duì)這些復(fù)雜材料進(jìn)行表征，并給出粘彈性的定量測(cè)量報(bào)告：

儲(chǔ)能模量：使樣品發(fā)生扭曲需要施加的能量?

損耗模量：材料變形后恢復(fù)其原有形狀時(shí)所損失的能量?

損耗角正切：損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值，該指標(biāo)用于測(cè)量水凝膠的阻尼能力?

在試圖了解不同水凝膠樣品在交聯(lián)度、玻璃化轉(zhuǎn)變、異質(zhì)性和分子量方面存在的差異以及這些差異如何影響最終的使用性能時(shí)，對(duì)這些粘彈性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量至關(guān)重要。流變儀可輕松測(cè)量粘彈性，是優(yōu)化上述特性的理想工具。?

另一個(gè)重要指標(biāo)是屈服應(yīng)力，該指標(biāo)對(duì)于衡量水凝膠也很關(guān)鍵。很多水凝膠均為可注射性材料，而屈服應(yīng)力之所以重要的原因是，該指標(biāo)決定了在注射點(diǎn)保留水凝膠的程度。剪切響應(yīng)也決定了水凝膠溶液在注射時(shí)的難易程度。?

不同的膠原蛋白起始材料可以具有非常不同的物理和熱學(xué)性質(zhì)，研究者們需要在實(shí)際應(yīng)用條件下對(duì)膠原蛋白進(jìn)行詳細(xì)表征，以選擇用于特定用途的最佳材料。流變學(xué)測(cè)試設(shè)備的快速篩選能力使得膠原蛋白的工業(yè)生產(chǎn)既高效又具有成本效益。

目前TA儀器標(biāo)志性流變儀Discovery混合流變儀（DHR）是行業(yè)領(lǐng)先的流變學(xué)測(cè)量?jī)x器。DHR便于使用，測(cè)試范圍廣泛，可以執(zhí)行對(duì)表征水凝膠至關(guān)重要的多種標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)分析測(cè)量。

Discovery混合流變儀可通過(guò)多種標(biāo)準(zhǔn)操作程序?qū)δz原蛋白水凝膠進(jìn)行質(zhì)量控制，包括粘彈性評(píng)估，以及評(píng)估在哪些壓力條件下變形水凝膠的彈性開(kāi)始消失。該項(xiàng)評(píng)估對(duì)水凝膠而言尤其重要，因?yàn)樵诤艿偷膽?yīng)變百分?jǐn)?shù)下表現(xiàn)出此類(lèi)粘彈性的樣品將不適用于制備終產(chǎn)品。Discovery混合流變儀使得快速篩選出最適合于特定醫(yī)療應(yīng)用的候選材料成為了可能。

Discovery混合流變儀的設(shè)計(jì)目的是在簡(jiǎn)單和高級(jí)測(cè)量中均易于使用。儀器與TRIOS AutoPilot軟件也是兼容的，可以創(chuàng)建自動(dòng)化常規(guī)程序，包括測(cè)量、分析和生成報(bào)告。對(duì)于時(shí)間是其關(guān)鍵考量因素的工業(yè)生產(chǎn)而言，該軟件可加速?zèng)Q策制定進(jìn)程并縮短新用戶(hù)的培訓(xùn)時(shí)間。

對(duì)于流變學(xué)測(cè)量，Discovery混合流變儀擁有多個(gè)溫度系統(tǒng)和溫度室，包括一個(gè)相對(duì)濕度系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于在不同環(huán)境條件下測(cè)量吸濕性水凝膠。

Discovery混合流變儀能夠在同一臺(tái)儀器上以不同的溫度控制條件執(zhí)行旋轉(zhuǎn)流變學(xué)和線(xiàn)性動(dòng)態(tài)力學(xué)分析。Discovery混合流變儀擁有出色的靈敏度，因此可以測(cè)量多種硬度的材料，包括鋼以及較柔韌的膠原蛋白。

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