水凝膠（hydrogels）的流變學

Sarah Cotts | Morgan Ulrich
June 20, 2022

水凝膠的特性和應用

水凝膠的立體多孔結構，可以吸收大量水分。它們可由聚合物、蛋白質、胜肽、膠體、界面活性劑或脂質組成1。水凝膠吸收大量水分的能力可用於許多生物應用，包括藥物傳送與組織工程。 由於水凝膠的特性會隨著吸水而改變，因此科學家必須準確地描述它在不同飽和程度與不同條件下的行為。

其中一個自然存在的水凝膠為膠原蛋白，它是人體內最主要的結構蛋白。由於膠原蛋白的纖維特性，它是作為組織結構的理想材料 — 其分子在長纖維束中緊緊排列在一起，而且依照確實的結構排列組合，可以產生類似鋼的拉伸強度，又具有彈性的纖維束。

膠原蛋白出色的結構特性和生物相容性，使它成為一種廣泛使用的材料，特別是作為組織工程中的骨架2。由於膠原蛋白為天然材料，會因樣品不同而產生品質不一的狀況。因此，生產以膠原蛋白為基底，並具有重複特性的產品可能充滿挑戰。然而，以天然材料為始的固有變異性並非是難解的問題 — 只需要進行正確的材料特性測試就能預測材料在最後應用中的表現。

在這篇部落格文章中，我們將使用膠原蛋白作為描述水凝膠特質的主要範例。但是，同樣的技術可以應用於任何原材料的水凝膠。

水凝膠的流變學

流變學 – 測量液體和固體流動與變形的表現 – 是學習水凝膠（如膠原蛋白）的理想方法。 水凝膠固有的黏彈性能，表示它們同時具有黏性與彈性的表現。動態（振盪）流變學描述這些複合材料的特性，並量化黏彈性能的測量。

  • 儲存模量：需要施加多少能量才能使樣品變形
  • 耗損模量：材料變形後恢復原形所損耗的能量
  • 阻尼值：耗損模量與儲存模量的比例，以及測量水凝膠受潮能力的方法

測量黏彈性能是瞭解水凝膠樣品間在交聯性、玻璃態轉化、異質性與分子量上不同的關鍵，也可瞭解黏彈性如何影響最終使用性能1。流變儀可以輕鬆地測量黏彈性能，且為使品質最佳化的理想工具。

對水凝膠而言，另一個重要測量為降伏應力（ yield stress）。許多水凝膠可作為注射的材料，因此降伏應力可決定水凝膠如何在注入點停留。剪切反應（shear response）也可決定注射水凝膠溶液的難易程度。

由於不同的膠原蛋白起始材料具有非常不同的物理和熱學性質，因此研究人員必須在實際的應用條件下小心定義膠原蛋白的特質，為特有用途選擇最好材料3。流變學測試設備的快速篩檢能力使膠原蛋白的工業加工兼具效率和成本效益。

為水凝膠選擇最好的流變儀

進行高品質、重複性的流變學測量需要合適的測試儀器。TA Instruments 是為設計與製造材料特性測試系統（包括流變學）的全球領導者。

我們標誌性的 Discovery 混合流變儀是流變學測量的行業領先儀器。方便好用的 Discovery 混合流變儀（DHR）可以進行廣泛的標準和進階分析測量，以定位水凝膠特性。

Discovery 混合流變儀

Discovery 混合流變儀（Discovery HR）可以進行多個標準操作程序來控制膠原蛋白水凝膠的品質，包括評估黏彈性能、評估在哪一種外力條件下，水凝膠的變形開始沒有彈性4。 對水凝膠而言，這種類型的評估非常重要，因為在非常低的應變百分比下表現出這種黏彈性能的樣品不適合用於最終產品。Discovery 混合流變儀可以快速辨識最適合特定醫療應用的材料。

Discovery 混合流變儀對於簡易與進階的測量都便於使用。儀器配有 TRIOS AutoPilot 軟體，可以建立自動化例行作業，包括測試方法、資料分析和產生報告。對分秒必爭的工業製造而言，本軟體可以協助加速決策，並且縮短新用戶的訓練時間。

在流變學測量方面，Discovery 混合流變儀有許多溫度系統和溫度控制箱，包括相對濕度系統，可在不同環境下測量吸濕性的水凝膠。

Discovery 混合流變儀可以在溫度控制的條件下，進行單一儀器的旋轉流變學和線性動態力學分析。Discovery 混合流變儀絕佳的靈敏度可測量不同硬度的材料，從鋼到較有彈性的膠原蛋白。

欲知更多有關水凝膠的流變評估，請閱讀我們新的水凝膠流變學的應用筆記。只需一通電話或滑鼠一點即可獲得個人化的解決方案和專家建議 – 聯絡我們以瞭解 TA Instruments 流變儀在製造複雜的生物材料時如何幫助您提高效率和品質控制。

參考資料:

  1. Baby, D. K. (2020). Chapter 9 – Rheology of hydrogels. In Rheology of Polymer Blends and Nanocomposites. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816957-5.00009-4 
  2. Dong, C., & Lv, Y. (2016). Application of Collagen Scaffold in Tissue Engineering: Recent Advances and New Perspectives. Polymers, 8(42), 1–20. https://doi.org/10.3390/polym8020042  
  3. Meyer, M. (2019). Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. BioMedical Engineering OnLine, 18(24), 1–74. https://doi.org/10.1186/s12938-019-0647-0 
  4. Perez-Puyana, V. et al. (2020). Fabrication and Characterization of Hydrogels Based on Gelatinised Collagen with Potential Application in Tissue Engineering. Polymers, 12(5):1146. https://doi.org/10.3390/polym12051146  

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