流变仪在水凝胶中的部分应用

水凝胶，是指溶胀的三维网状结构高分子，即聚合物分子间相互连接，行成空间网状结构，且在网状结构的孔隙中又填充了液体水介质。简单的说，水凝胶是由液体水和高分子网络所组成的，液体水被高分子网络封闭在里面，失去流动性，因此凝胶能像固体一样显示出一定的形状。水凝胶的种类很多，有组织替代型、反应型、温敏型、PH型等等，下面力晶小邵给大家简单介绍下其相关流变应用。

一、医用透明质酸钠-剪切黏度和黏弹性

中华人民共和国医药行业标准YY/T 0308-2015《医用透明质酸钠凝胶》中规定了此类产品的流变测试要求。要求水凝胶表面光滑，具有良好的生物特性，可以被应用未外科手术敷料、眼科敷料、凝胶眼药水等多个方面，也是医美行业重要的产品之一。

此类产品的流变测试项目如下：

剪切黏度：在25±0.2℃下，采用流变仪在剪切速率从0.001s-1-1000s-1下进行蠕动扫描。在0.01s-1剪切速率下，眼科用透明质酸钠凝胶剪切黏度应不小于200000mPa.s，关节腔注射用透明质酸钠凝胶剪切黏度应不小于20000mPa.s。图1为某眼科透明质酸钠凝胶流动曲线图。

黏弹性：在25±0.2℃下，采用流变仪在频率从0.01Hz-100Hz下进行频率扫描，绘制黏性模量G“和弹性模量G’值的对数与频率f的对数坐标图。眼科用透明质酸钠凝胶在G’=G”时，频率应小于0.5Hz，关节腔内注射用透明质酸钠凝胶在G’=G”时，频率应小于1.0Hz。图2为某眼科透明质酸钠凝胶频率扫描曲线图。

图1 流动曲线 

     图2 黏弹性-频率扫描曲线

二、反应型水凝胶测试

某种水溶性蛋白分子，分别加入三种不同浓度的交联剂混均匀后，快速加载到旋转流变仪上，在37℃会逐渐形成凝胶。三种浓度样品流变测试结果见图3：

图3 时间扫描曲线

分析：

初始状态：G”＞G’；

随着时间变化：G”与G’交点，此为特定频率下的凝胶点；

凝胶点后：G’＞G”，形成三维网络；

后期模量趋于稳定，代表凝胶反应趋于结束，可以完整表征样品从低黏度液态（类液态）到高强度凝胶（类固态）的转变过程。

三、温敏型水凝胶测试

某些温敏型水凝胶具有可逆凝胶转变特征，温度较高时呈现液态，降温后转变为难以流动的凝胶态，升温后又转变为可以流动的液态，再降温又可以转变为凝胶态，如图4。这种可逆特性可以应用在很多场合，解决很多实际问题。

图4 温度扫描曲线

四、水凝胶的强度表征

1、线性黏弹区（LVR）

线性粘弹区可反应体系的结构性，可以表征样品稳定性情况。当G’>G”，样品呈现类固态，有一定的硬度和稳定性；当G’，样品体系内部结构性较弱，呈现类流态。

一旦施加的力或形变超过LVR（如图5），样品内部即发生一定程度的破坏，模量降低，强度降低，甚至出现破裂和流动。一般LVR区越宽，样品越稳定，体系可以承受较大形变而不至于被破坏。

图5 线性黏弹区

2、频率扫描

通过频率扫描测试得到的黏弹性模量在不同频率下的变化，可表征样品在不同时间尺度下的强度特性，完全凝胶的样品，一般G’＞G”且G’和G”无交点，G’不受频率变化影响（如图6），此应用在第一章节“医用透明质酸钠-黏弹测试”也有相关介绍。

图6 频率扫描曲线

3、结构破坏与恢复

许多应用场景下（如美容用玻尿酸类凝胶），水凝胶会发生较大形变（超过LVR），样品在发生较大形变之后恢复到初始状态多少决定了其抗形变的能力。此过程可以通过流变仪进行阶跃振荡来实现，从小形变（G’＞G”）到大形变（G”＞G’），循环多次，结束后根据模量恢复多少来表征样品结构恢复能力，如图7。

注意：不是所有水凝胶都有此恢复性能，一些较硬的凝胶（偏固体），大形变后会直接破碎，无法恢复。

图7 结构破坏与恢复