​香港中文大學魏濤教授、劉威博士:水凝膠材料表征新方法

星狀聚乙二醇(PEG)水凝膠由於其獨特的粘彈性、親水性及生物相容性,目前被廣泛應用於生物材料、組織工程和藥物遞送等生物醫學領域。傳統意義上對水凝膠材料流變性質的表征方法通常是依賴宏觀流變儀,即通過測量應力應變響應來檢測粘度、復雜模量等流變學參數。然而,其缺陷之一是難以動態地捕捉快速凝膠化動力學過程,另外也無法表征膠體局部結構的各向異性行為。

​香港中文大學魏濤教授、劉威博士:水凝膠材料表征新方法

近期,香港中文大學化學系魏濤教授劉威博士提出瞭一種基於微米級磁性探針的水凝膠近界面流變性質表征方法,以更小的尺度、更快的速度以及更準的精度以觀測PEG凝膠化早期局部形成的簇群結構對水凝膠粘彈性質的影響,並繪制瞭膠體在交疊濃度(c*)附近的二維各向異性動態分佈圖。新方法的使用不僅是對現有水凝膠材料流變學表征手段的有益補充,更能夠深入揭示軟物質材料拓撲結構與機械性能之間的內在關聯。相關工作以“Probing Sol−Gel Matrices and Dynamics of Star PEG Hydrogels Near Overlap Concentration”為題發表在Macromolecules上,劉威博士為該論文的第一作者,魏濤教授吳奇院士為本文共同通訊作者。

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圖1:新型微觀流變學表征方法的工作流程。 a)課題組將自主搭建的多級磁鑷與全內反射顯微鏡相結合,利用8組電磁針對微米級超順磁小球實施三維操縱,並利用小球的消逝場散射光強進行納米級實時觀測。 b)探針小球在四臂型PEG水凝膠網絡內的微擾動示意圖,紅藍色分別表示不同交聯度的局部結構區域。 c)對小球軌跡及作用力的動態追蹤,並通過相差分析方法獲取小球的位移信息及其所處微環境的粘彈性質。
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圖2:PEG水凝膠在早期凝膠化過程中的流變學表征。a)局部簇群在小於c*及接近c*時的鏈狀和網狀結構示意圖。b)凝膠點附近交聯度(ε)與約化時間(τ)在不同濃度下的關聯性。c)彈性模量(G’)與損耗模量(G”)在c*前後的差異化重疊行為,揭示瞭水凝膠粘彈性質對濃度和局部簇群結構的極強依賴性。d)凝膠點tg及Gg(定義為G’和G”在交叉時的時間點及模量)對濃度的指數依賴性,其中Gg在c*之後表現出更強的指數增長行為。
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圖3:快速凝膠化過程中凝膠點的精準定位及c*附近局部膠體結構的各向異性行為。a)G’和G”在實際測量過程中得到的頻譜圖。其中,圖上方小數字標記瞭每次測量的起始點;在雙指數坐標系下,G”對頻率的線性擬合值隻能界定臨界指數(Δ,G’~G”~ωΔ)的范圍在0.70-0.78之間;右側是利用Hill方程得到的G’和G”在不同頻率下任意時間的模擬值。b)根據G’和G”模擬值繪制的更為準確的連續頻譜分佈,可給出臨界指數的確切值為0.75。c)c*附近局部膠體結構的各向異性行為。其中,白色箭頭標記瞭G’或G”因局部結構不均一導致的波動行為;另外相較於c*前後,可見G’和G”在接近c*時表現出更為平滑的二維分佈,揭示瞭星型PEG水凝膠在交疊濃度下更有可能形成均一化的網絡結構。

原文鏈接:

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

課題組鏈接:

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

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