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​香港中文大学魏涛教授、刘威博士:水凝胶材料表征新方法-岩拓气凝胶

​香港中文大学魏涛教授、刘威博士:水凝胶材料表征新方法

星状聚乙二醇(PEG)水凝胶由于其独特的粘弹性、亲水性及生物相容性,目前被广泛应用于生物材料、组织工程和药物递送等生物医学领域。传统意义上对水凝胶材料流变性质的表征方法通常是依赖宏观流变仪,即通过测量应力应变响应来检测粘度、复杂模量等流变学参数。然而,其缺陷之一是难以动态地捕捉快速凝胶化动力学过程,另外也无法表征胶体局部结构的各向异性行为。

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近期,香港中文大学化学系魏涛教授刘威博士提出了一种基于微米级磁性探针的水凝胶近界面流变性质表征方法,以更小的尺度、更快的速度以及更准的精度以观测PEG凝胶化早期局部形成的簇群结构对水凝胶粘弹性质的影响,并绘制了胶体在交叠浓度(c*)附近的二维各向异性动态分布图。新方法的使用不仅是对现有水凝胶材料流变学表征手段的有益补充,更能够深入揭示软物质材料拓扑结构与机械性能之间的内在关联。相关工作以“Probing Sol−Gel Matrices and Dynamics of Star PEG Hydrogels Near Overlap Concentration”为题发表在Macromolecules上,刘威博士为该论文的第一作者,魏涛教授吴奇院士为本文共同通讯作者。

 

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图1:新型微观流变学表征方法的工作流程。 a)课题组将自主搭建的多级磁镊与全内反射显微镜相结合,利用8组电磁针对微米级超顺磁小球实施三维操纵,并利用小球的消逝场散射光强进行纳米级实时观测。 b)探针小球在四臂型PEG水凝胶网络内的微扰动示意图,红蓝色分别表示不同交联度的局部结构区域。 c)对小球轨迹及作用力的动态追踪,并通过相差分析方法获取小球的位移信息及其所处微环境的粘弹性质。

 

 

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图2:PEG水凝胶在早期凝胶化过程中的流变学表征。a)局部簇群在小于c*及接近c*时的链状和网状结构示意图。b)凝胶点附近交联度(ε)与约化时间(τ)在不同浓度下的关联性。c)弹性模量(G’)与损耗模量(G”)在c*前后的差异化重叠行为,揭示了水凝胶粘弹性质对浓度和局部簇群结构的极强依赖性。d)凝胶点tg及Gg(定义为G’和G”在交叉时的时间点及模量)对浓度的指数依赖性,其中Gg在c*之后表现出更强的指数增长行为。
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图3:快速凝胶化过程中凝胶点的精准定位及c*附近局部胶体结构的各向异性行为。a)G’和G”在实际测量过程中得到的频谱图。其中,图上方小数字标记了每次测量的起始点;在双指数坐标系下,G”对频率的线性拟合值只能界定临界指数(Δ,G’~G”~ωΔ)的范围在0.70-0.78之间;右侧是利用Hill方程得到的G’和G”在不同频率下任意时间的模拟值。b)根据G’和G”模拟值绘制的更为准确的连续频谱分布,可给出临界指数的确切值为0.75。c)c*附近局部胶体结构的各向异性行为。其中,白色箭头标记了G’或G”因局部结构不均一导致的波动行为;另外相较于c*前后,可见G’和G”在接近c*时表现出更为平滑的二维分布,揭示了星型PEG水凝胶在交叠浓度下更有可能形成均一化的网络结构。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b01489

课题组链接:

http://www.cuhk.edu.hk/research/NgaiToGroup/index.html

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