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流變儀在水凝膠中的部分應用
點擊次數:448 發布時間:2022-04-15 打印本頁面 返回

水凝膠,是指溶脹的三維網狀結構高分子,即聚合物分子間相互連接,行成空間網狀結構,且在網狀結構的孔隙中又填充了液體水介質。簡單的說,水凝膠是由液體水和高分子網絡所組成的,液體水被高分子網絡封閉在里面,失去流動性,因此凝膠能像固體一樣顯示出一定的形狀。水凝膠的種類很多,有組織替代型、反應型、溫敏型、PH型等等,下面力晶小邵給大家簡單介紹下其相關流變應用。

 

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一、醫用透明質酸鈉-剪切黏度和黏彈性

 

中華人民共和國醫藥行業標準YY/T 0308-2015《醫用透明質酸鈉凝膠》中規定了此類產品的流變測試要求。要求水凝膠表面光滑,具有良好的生物特性,可以被應用未外科手術敷料、眼科敷料、凝膠眼藥水等多個方面,也是醫美行業重要的產品之一。

 

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此類產品的流變測試項目如下:

 

剪切黏度:在25±0.2℃下,采用流變儀在剪切速率從0.001s-1-1000s-1下進行蠕動掃描。在0.01s-1剪切速率下,眼科用透明質酸鈉凝膠剪切黏度應不小于200000mPa.s,關節腔注射用透明質酸鈉凝膠剪切黏度應不小于20000mPa.s。圖1為某眼科透明質酸鈉凝膠流動曲線圖。

 

黏彈性:在25±0.2℃下,采用流變儀在頻率從0.01Hz-100Hz下進行頻率掃描,繪制黏性模量G“和彈性模量G’值的對數與頻率f的對數坐標圖。眼科用透明質酸鈉凝膠在G’=G"時,頻率應小于0.5Hz,關節腔內注射用透明質酸鈉凝膠在G’=G"時,頻率應小于1.0Hz。圖2為某眼科透明質酸鈉凝膠頻率掃描曲線圖。

 

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圖1 流動曲線 

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     圖2 黏彈性-頻率掃描曲線

 

二、反應型水凝膠測試

 

某種水溶性蛋白分子,分別加入三種不同濃度的交聯劑混均勻后,快速加載到旋轉流變儀上,在37℃會逐漸形成凝膠。三種濃度樣品流變測試結果見圖3:

 

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圖3 時間掃描曲線

 

分析:

 

初始狀態:G">G’;

隨著時間變化:G"與G’交點,此為特定頻率下的凝膠點;

凝膠點后:G’>G",形成三維網絡;

后期模量趨于穩定,代表凝膠反應趨于結束,可以完整表征樣品從低黏度液態(類液態)到高強度凝膠(類固態)的轉變過程。

 

三、溫敏型水凝膠測試

 

某些溫敏型水凝膠具有可逆凝膠轉變特征,溫度較高時呈現液態,降溫后轉變為難以流動的凝膠態,升溫后又轉變為可以流動的液態,再降溫又可以轉變為凝膠態,如圖4。這種可逆特性可以應用在很多場合,解決很多實際問題。

 

 

圖4 溫度掃描曲線

 

四、水凝膠的強度表征

 

1、線性黏彈區(LVR)

 

線性粘彈區可反應體系的結構性,可以表征樣品穩定性情況。當G’>G",樣品呈現類固態,有一定的硬度和穩定性;當G’,樣品體系內部結構性較弱,呈現類流態。

 

一旦施加的力或形變超過LVR(如圖5),樣品內部即發生一定程度的破壞,模量降低,強度降低,甚至出現破裂和流動。一般LVR區越寬,樣品越穩定,體系可以承受較大形變而不至于被破壞。

 

 

圖5 線性黏彈區

 

2、頻率掃描

 

通過頻率掃描測試得到的黏彈性模量在不同頻率下的變化,可表征樣品在不同時間尺度下的強度特性,完全凝膠的樣品,一般G’>G"且G’和G"無交點,G’不受頻率變化影響(如圖6),此應用在第一章節“醫用透明質酸鈉-黏彈測試"也有相關介紹。

 

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圖6 頻率掃描曲線

 

 

3、結構破壞與恢復

 

許多應用場景下(如美容用玻尿酸類凝膠),水凝膠會發生較大形變(超過LVR),樣品在發生較大形變之后恢復到初始狀態多少決定了其抗形變的能力。此過程可以通過流變儀進行階躍振蕩來實現,從小形變(G’>G")到大形變(G">G’),循環多次,結束后根據模量恢復多少來表征樣品結構恢復能力,如圖7。

 

注意:不是所有水凝膠都有此恢復性能,一些較硬的凝膠(偏固體),大形變后會直接破碎,無法恢復。

圖7 結構破壞與恢復


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