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材料在弹性形变过程中，应力与应变之间的比例关系就是杨氏模量，也被称为弹性模量。目前测量杨氏模量的方法并不固定，主要有拉伸法，压缩法和压痕法等几类[1]。拉伸法（Tensile test）最为原始也最为简单易行，对材料施加一定拉力并测量形变即可计算杨氏模量。该实验是在规定的实验温度、速度和湿度的条件下，利用对样品施加沿纵轴方向的静态拉伸负荷，直至样品被拉断，在此过程中可以得到样品形变的应力-应变曲线，其中应力σ σ=F/A，即单位横截面积所受力； 应变ε ε=Δl/l0，即材料拉伸形变长度较之原长的程度； 通过应力-应变曲线可以得到拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力以及拉伸弹性模量等。对于水凝胶来说，弹性模量是主要的力学表征参数。根据胡克定律，物体在弹性限度内，应力与应变成正比，其比值即是弹性（杨氏）模量E： E=σ/ε； 弹性模量的大小反映了材料的硬度，弹性模量越大，材料越不容易发生形变。然而采用这种方法，水凝胶在拉伸过程中会失去部分含水量，影响测量结果，因此，有研究会采用将水凝胶置于水中进行测量的方法来减小误差。 图1 典型的应力-应变曲线 ? 水凝胶应用在细胞领域时，常常需要与其他硬性材料结合在一起使用，这样一来利用拉伸法测量弹性模量就会受到硬性材料表面的影响，无法准确测量力学参数。因此，研究人员利用压缩模量替代拉伸模量来表征材料的弹性模量。测量材料压缩模量的方法叫做压缩法（Compression test）。压缩法是基于万能试验机等仪器，对柱状样品施加压力，测量样品压缩形变，得到应力-应变图。从图中选择合适的应变范围，并对该区域内曲线作斜率得到压缩模量。 图2 典型的力学万能试验机 ? 压痕法（Indentation test）是由压缩法发展而来的。当使用压缩法测量时，对于含水率较高的低弹性水凝胶来说，压力会使得水凝胶失水而增大弹性模量。而利用压痕法[2]，样品只需发生非常微小的压痕形变即可，不会破坏样品的自身含水量。压痕法根据赫兹接触（Hertz’s contact）理论来计算弹性模量： E=3(1-v2)f/(4R1/2l3/2)； 其中l为压痕位移，f为压力，v为泊松比，R为压头半径。原子力显微镜（AFM）就是基于压痕法发展出来的，其能够探测到样品极微小的形变，被认为是目前测量水凝胶力学性能最为准确地方法之一。然而这类测量对操作、硬件等要求很高，对于一般的水凝胶表征来说成本太过高昂。 图3 基底弹性与细胞分化的关系[3] ? 检测并调控水凝胶材料的力学性能是水凝胶发展应用的关键问题。比如在细胞研究中，细胞的体外生长需要借助细胞培养基底的作用，然而一般的基底材料如玻璃或塑料等，硬度过大，极大地影响了细胞的体外生长行为。而水凝胶材料具有三维网状结构，含水率高，力学环境与生物体更加接近，有利于细胞的生长。如Engler[3]等人利用弹性模量可调的凝胶系统作为基底研究间充质干细胞的体外分化生长过程。研究人员通过改变凝胶交联度，调控基底的弹性模量，使之与生物体个组织器官如脑等的弹性模量接近，长期的培养观察发现，基底弹性模量的改变会诱导细胞的不同分化。近年来，在静态模拟组织力学性质的基础上，越来越多的研究关注到了力学性能动态变化对细胞行为的影响。Wu[4]等人制备了具有可逆调节弹性模量特性的水凝胶，能够更好地模拟细胞外基质机械性能的动态变化，可以实时控制水凝胶内细胞的迁移行为。 发自小木虫Android客户端 |
2楼2019-03-10 07:03:52
hdwcbz
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