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材料在彈性形變過程中，應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例關(guān)系就是楊氏模量，也被稱為彈性模量。目前測(cè)量楊氏模量的方法并不固定，主要有拉伸法，壓縮法和壓痕法等幾類[1]。拉伸法（Tensile test）最為原始也最為簡單易行，對(duì)材料施加一定拉力并測(cè)量形變即可計(jì)算楊氏模量。該實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度、速度和濕度的條件下，利用對(duì)樣品施加沿縱軸方向的靜態(tài)拉伸負(fù)荷，直至樣品被拉斷，在此過程中可以得到樣品形變的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中應(yīng)力σ σ=F/A，即單位橫截面積所受力； 應(yīng)變?chǔ)?br /> ε=Δl/l0，即材料拉伸形變長度較之原長的程度； 通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力以及拉伸彈性模量等。對(duì)于水凝膠來說，彈性模量是主要的力學(xué)表征參數(shù)。根據(jù)胡克定律，物體在彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值即是彈性（楊氏）模量E： E=σ/ε； 彈性模量的大小反映了材料的硬度，彈性模量越大，材料越不容易發(fā)生形變。然而采用這種方法，水凝膠在拉伸過程中會(huì)失去部分含水量，影響測(cè)量結(jié)果，因此，有研究會(huì)采用將水凝膠置于水中進(jìn)行測(cè)量的方法來減小誤差。 圖1 典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 ? 水凝膠應(yīng)用在細(xì)胞領(lǐng)域時(shí)，常常需要與其他硬性材料結(jié)合在一起使用，這樣一來利用拉伸法測(cè)量彈性模量就會(huì)受到硬性材料表面的影響，無法準(zhǔn)確測(cè)量力學(xué)參數(shù)。因此，研究人員利用壓縮模量替代拉伸模量來表征材料的彈性模量。測(cè)量材料壓縮模量的方法叫做壓縮法（Compression test）。壓縮法是基于萬能試驗(yàn)機(jī)等儀器，對(duì)柱狀樣品施加壓力，測(cè)量樣品壓縮形變，得到應(yīng)力-應(yīng)變圖。從圖中選擇合適的應(yīng)變范圍，并對(duì)該區(qū)域內(nèi)曲線作斜率得到壓縮模量。 圖2 典型的力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī) ? 壓痕法（Indentation test）是由壓縮法發(fā)展而來的。當(dāng)使用壓縮法測(cè)量時(shí)，對(duì)于含水率較高的低彈性水凝膠來說，壓力會(huì)使得水凝膠失水而增大彈性模量。而利用壓痕法[2]，樣品只需發(fā)生非常微小的壓痕形變即可，不會(huì)破壞樣品的自身含水量。壓痕法根據(jù)赫茲接觸（Hertz’s contact）理論來計(jì)算彈性模量： E=3(1-v2)f/(4R1/2l3/2)； 其中l(wèi)為壓痕位移，f為壓力，v為泊松比，R為壓頭半徑。原子力顯微鏡（AFM）就是基于壓痕法發(fā)展出來的，其能夠探測(cè)到樣品極微小的形變，被認(rèn)為是目前測(cè)量水凝膠力學(xué)性能最為準(zhǔn)確地方法之一。然而這類測(cè)量對(duì)操作、硬件等要求很高，對(duì)于一般的水凝膠表征來說成本太過高昂。 圖3 基底彈性與細(xì)胞分化的關(guān)系[3] ? 檢測(cè)并調(diào)控水凝膠材料的力學(xué)性能是水凝膠發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵問題。比如在細(xì)胞研究中，細(xì)胞的體外生長需要借助細(xì)胞培養(yǎng)基底的作用，然而一般的基底材料如玻璃或塑料等，硬度過大，極大地影響了細(xì)胞的體外生長行為。而水凝膠材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含水率高，力學(xué)環(huán)境與生物體更加接近，有利于細(xì)胞的生長。如Engler[3]等人利用彈性模量可調(diào)的凝膠系統(tǒng)作為基底研究間充質(zhì)干細(xì)胞的體外分化生長過程。研究人員通過改變凝膠交聯(lián)度，調(diào)控基底的彈性模量，使之與生物體個(gè)組織器官如腦等的彈性模量接近，長期的培養(yǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，基底彈性模量的改變會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞的不同分化。近年來，在靜態(tài)模擬組織力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，越來越多的研究關(guān)注到了力學(xué)性能動(dòng)態(tài)變化對(duì)細(xì)胞行為的影響。Wu[4]等人制備了具有可逆調(diào)節(jié)彈性模量特性的水凝膠，能夠更好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械性能的動(dòng)態(tài)變化，可以實(shí)時(shí)控制水凝膠內(nèi)細(xì)胞的遷移行為。 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
2樓2019-03-10 07:03:52
hdwcbz
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3樓2019-03-11 23:50:59
4樓2019-03-13 08:35:30
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