易坊好文馆

  1. 首页 > 生活百科 >

机械 加拿大阿尔伯塔曾宏波院士《材料化学》似生物组织可自我保护的动态柔性水凝胶( 二 )

机械 阿尔伯塔 材料化学


图1.在不同的硼酸/糖摩尔比下 ， BL4k水凝胶的机械性能（10 w/v％ ， T = 25°C） 。 （a）相对于应力σ的微分模量K' 。 （b）相对于硼酸/糖摩尔比的平稳模量G0和临界应力σc 。 （c）相对于归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/ G0） 。 （d）硬化指数m与硼酸/糖的摩尔比的关系 。
3.聚合物浓度依赖性
制备了一系列在硼酸/糖的摩尔比= 1：1时总聚合物浓度在5.0和15.0％（w/v％）之间的BL4k水凝胶 ， 以调节机械性能 。 所有样品均表现出应变强化行为 ， G0和σc均强烈依赖于聚合物浓度（图2a） 。 聚合物浓度降低3倍不仅使G0从约500 Pa降低至10 Pa ， 而且使σc从200 Pa大幅降低至10 Pa以下（图1b） ， 这在生物学上可承受的应力范围内 。 这种依赖于浓度的网络机制类似于各种基于胶原 ， 肌动蛋白和纤维蛋白的生物凝胶 。 此外 ， 该水凝胶的应变刚度响应也可以通过改变聚合物浓度来调节（图2c）不同于具有分支网络结构的半柔性水凝胶和PEI/PEG柔性水凝胶所采用的普遍应变强化行为 。 当聚合物浓度从5 w/v％增加到15 w/v％时 ， 硬化指数m从0.66降低到0.47约30％（图2d） 。
图2.在不同聚合物浓度下BL4k水凝胶的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， T = 25°C） 。 （a）相对于应力σ的微分模量K' 。 （b）相对于聚合物浓度的平稳模量G0和临界应力σc 。 （c）相对于归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/G0） 。 （d）硬化指数m与聚合物浓度的关系 。
4.温度依赖性
通过温升试验研究了温度对BL4k力学性能的影响（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w / v％） 。 在加热坡道中 ， 储能模量G'和损耗模量G''都随着温度从15升高到75°C而降低 ， 并在反向冷却坡道中恢复原始值 。 在高温下水凝胶刚度降低最可能是由于高温下PEG的“软化”行为所致 。 然而 ， 水凝胶在整个温度范围内都保持了应变加劲行为（图3a ， b） ， 其中随着温度从20升高到70°C ， G0和σc均下降4倍 。 有趣的是 ， 在不同温度下针对归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/G0）折叠成m≤0.6的一条主曲线（图3c） ， 这表明温度对应变-刚度响应的影响有限的水凝胶 。
图3.在不同温度下BL4k水凝胶的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w/v％） 。 （a）相对于应力σ的微分模量K' 。 （b）平稳模量G0和相对于温度的临界应力σc 。 （c）拟合至（a）中归一化数据的主曲线 。
5.交联剂的链长度依赖性
通过改变交联分子的长度 ， 可以进一步调整网络机制 。 制备并测量了两种交联剂长度不同的水凝胶（BL4k和BL8k）（DPB–PEG4k和DPB–PEG8k） ， 但聚合物浓度（10 w/v％）和硼/糖摩尔比（1：1）相同 。 通过较长PEG交联的水凝胶（BL8k）的刚度小于通过较短PEG交联的水凝胶（BL4k）的刚度 ， 从而导致σc从94 Pa显着降低至4.8 Pa（图4a） 。 刚度的降低可以归因于网络结构的松散和混乱 。 在基于PIC和基于细胞骨架聚合物的凝胶中也发现了这种作用 。 对两种水凝胶针对应变γ的归一化微分模量（K'/G0）进行绘制表明 ， K'在非线性响应中持续增加直到达到最大应变γmax ， 水凝胶网络破裂（图4b） 。 加强范围Kmax'/G0（即 ， 相对于失效前的初始刚度的刚度增加）与网络可以承受的最大应变密切相关 。 由于更长的PEG链具有更高的延伸性 ， BL8k可以维持较大的γmax ， 因此导致Kmax'/G0的值更高（图4b） 。
图4.BL4k和BL8k的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w/v％ ， T = 25°C） 。 （a）相对于应力σ的微分模量K' 。 （b）相对于应变（γ）的归一化微分模量（K′/G0） ， 其示出最大应变γmax和硬化范围Kmax′/G0 。
6.应变强化行为的可逆性和可再现性
与生物组织类似 ， 该水凝胶由于具有可逆的应变加强能力 ， 因此可以提供按需和有针对性的机械性能 。 只要连续施加适当的应变 ， BL4k和BL8k都可以反复加固到指定的G'值并保持这种机械强度（图5a ， b） 。 一旦减小所施加的应变 ， 水凝胶的原始机械性能立即恢复 。 水凝胶的应变刚度曲线遵循相同的轨迹 ， 并且水凝胶可以可逆和反复地硬化至其原始模量的八倍 ， 而不会显示出机械滞后现象（图5c） 。
图5.（a）BL4k的循环应变阶跃试验（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w/v％ ， T = 25°C）；（b）BL8k的循环应变阶跃试验（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w/v％ ， T = 25°C） 。 （c）在（b）中测试的水凝胶的七个连续应变扫描 。
7.应变加强机制
在该水凝胶体系中 ， 仿生菌的应变强化行为源自PEG的非线性拉伸和有限延伸性 。 另一种线性聚合物P（AM-co-LAEMA）的作用是提供足够量的13-二醇基团 ， 这允许DPB-PEG的两端通过硼酸酯的形成共价键合 。 如示意图2所示 ， 一旦DPB-PEG的两端牢固结合 ， 当受到拉紧时 ， PEG链可能像弹簧一样起作用 。 在变形过程中 ， 随机取向的PEG链倾向于与应变/应力方向平行排列 。 当PEG链拉伸至其“伸直”状态时 ， 构象熵显着降低 ， 并且由于PEG链内共价键的弯曲或拉伸 ， 柔性PEG链可能表现出一定的焓弹性 。 两种作用的协同作用可能会引起对施加的应变/应力的反作用力 ， 从而导致网络的刚性响应 。 应变强化作用控制着水凝胶的机械性能 ， 导致G'急剧增加 ， 直到PEG链被拉伸到最大可扩展性（γmax）为止 ， 在此发生水凝胶的破裂 。

推荐阅读


上一篇：空间站 中国空间站成“香饽饽”！NASA局长憋出一个大招，总师一句话回怼

下一篇：北极熊 北极熊和棕熊杂交，会生出什么东西？不是灰的，就是白的！