軟物質(zhì)與生物材料的力學(xué)表征技術(shù)綜述

一、 為什么軟材料力學(xué)測試與眾不同？

與傳統(tǒng)金屬、塑料等硬材料相比，軟材料（如凝膠、組織、彈性體）有其獨(dú)特之處：

模量極低：通常在 kPa 到 MPa 量級，而鋼鐵在 GPa 量級。

大變形：能夠承受百分之幾百甚至上千的應(yīng)變而不破壞。

非線性：應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常不是直線，表現(xiàn)為 J-型或 S-型。

時(shí)間依賴性：表現(xiàn)出粘彈性，即其力學(xué)行為與加載速率相關(guān)（如蠕變、應(yīng)力松弛）。

對環(huán)境和測試條件極其敏感：溫度、濕度、 hydration（水合狀態(tài)）對性能影響巨大。

因此，測試硬材料的傳統(tǒng)方法（如標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣拉伸）往往不直接適用于軟材料。

二、 核心測試方法與儀器

以下是幾種專門針對軟材料的力學(xué)測試技術(shù)：

1. 拉伸/壓縮測試

這是最基礎(chǔ)也是最重要的測試。

原理：對樣品施加單向的拉伸或壓縮力，測量其變形和力，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

關(guān)鍵設(shè)備：

材料試驗(yàn)機(jī)：需要配備微小力傳感器（如1N, 10N, 50N），因?yàn)榱χ岛苄　?/p>

非接觸式視頻引伸計(jì)：這是軟材料測試的神器！ 傳統(tǒng)的接觸式引伸計(jì)會壓入或損傷軟樣品，而視頻引伸計(jì)通過跟蹤樣品上的標(biāo)記點(diǎn)來精確測量應(yīng)變，無接觸。

樣品制備：通常制成“狗骨頭"形狀以減少夾持端的應(yīng)力集中。對于水凝膠等，需要在濕潤環(huán)境中測試以防止水分蒸發(fā)。

2. 納米壓痕/微米壓痕

用于測量材料在微小尺度上的局部力學(xué)性能。

原理：使用一個(gè)非常小的探針（針尖尺寸可從納米到微米）壓入材料表面，通過記錄力-位移曲線來計(jì)算材料的楊氏模量、硬度等。

應(yīng)用：非常適合測試生物組織（如單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞團(tuán)、皮膚）、薄膜、水凝膠等異質(zhì)材料。

優(yōu)勢：空間分辨率高，能繪制材料的力學(xué)性能分布圖。

3. 剪切測試

用于測量材料的剪切模量。

原理：使材料的一個(gè)平面相對于另一個(gè)平行平面產(chǎn)生滑動。常見的配置有平行板剪切、扭轉(zhuǎn)剪切等。

應(yīng)用：常用于測試生物粘液、潤滑劑、軟膏等。

三、 關(guān)鍵挑戰(zhàn)與解決方案

1. 夾持問題

挑戰(zhàn)：軟樣品在夾具中容易打滑或被夾壞。

解決方案：使用帶紋理或砂紙的夾具、氣動夾具（壓力均勻）、或者直接將樣品粘在夾具上（對于非常軟的材料）。

2. 樣品制備

挑戰(zhàn)：制備形狀規(guī)則、無缺陷的軟樣品困難。

解決方案：使用激光切割、定制模具或沖壓器來制備樣品。

3. 環(huán)境影響

挑戰(zhàn)：水凝膠會干燥，生物組織會降解。

解決方案：在測試環(huán)境中使用保濕腔室或?qū)悠方菰赑BS緩沖液等生理溶液中。

4. 邊界效應(yīng)

挑戰(zhàn)：在壓痕或剪切測試中，基底的剛性會影響測量結(jié)果。

解決方案：確保樣品厚度足夠大，或使用考慮基底效應(yīng)的理論模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

四、 數(shù)據(jù)分析與典型力學(xué)響應(yīng)

以單軸拉伸測試為例：

應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

初始斜率：代表?xiàng)钍夏Ａ浚‥），反映材料的初始剛度。

曲線形狀：

彈性體：曲線平滑上升，通常有很長的平臺區(qū)，代表分子鏈的伸展和重排。

生物組織：常呈 “J型"曲線，初始非常軟（適應(yīng)大變形），隨后急劇硬化以抵抗破壞（如膠原纖維被拉直并承載）。

斷裂點(diǎn)：給出極限應(yīng)力和極限應(yīng)變。

粘彈性分析：

蠕變測試：施加恒定應(yīng)力，觀察應(yīng)變隨時(shí)間增加。

應(yīng)力松弛測試：施加恒定應(yīng)變，觀察應(yīng)力隨時(shí)間衰減。

這些數(shù)據(jù)可以用彈簧和阻尼器的模型（如Maxwell, Kelvin-Voigt模型）來擬合，以提取特征松弛時(shí)間。

總結(jié)

軟材料力學(xué)測試是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)但回報(bào)豐厚的領(lǐng)域。成功測試的關(guān)鍵在于：

1. 選擇合適的測試方法以回答特定的科學(xué)或工程問題。

2. 精心制備樣品并控制測試環(huán)境。

3. 使用正確的測量工具，特別是非接觸式應(yīng)變測量。

4. 理解并正確解釋材料的非線性、大變形和粘彈性行為。

希望這份分享對您有幫助！如果您對某個(gè)特定的測試方法或材料有更深入的興趣，我們可以繼續(xù)探討。