低弹性模量水凝胶力学性能测定方法的研究

摘要

体外培养的细胞结构与功能不同于体内细胞。其原因主要是体内三维环境不同于硬质培养皿的固体/液体界面二维生长环境，同时体内细胞外基质的力学硬度也与硬质培养皿存在巨大差异。细胞所处环境的力学性能，对细胞的结构和行为，如细胞的增殖、分化、迁移以及形态，起重要作用。
　　水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持一定水分而又不溶于水，具有三维网络结构的新型功能高分子材料。水凝胶的三维结构与高含水量与体内细胞外基质的结构功能十分相似，因而水凝胶常在细胞培养中模拟细胞外基质的作用。模拟不同组织的细胞力学环境可通过调节水凝胶的力学性能实现。
　　水凝胶力学性能的测定是控制水凝胶力学性能的关键技术。本文对其力学性能的测定开展了以下三个方面的工作：第一，在浸水拉伸法的基础上，进行了扣除砝码浮力的改进，提高测量结果的精度；第二，用新制备的三种水凝胶验证微球压痕法公式，该公式基于对赫兹公式的指数校正而建立，用数值模拟方法与最优化算法求得公式中的参数；第三，基于重力做功建立计入横向变形的新公式，利用拉伸法测得的杨氏模量求出公式中的未知参数，拟合公式。研究表明：校正砝码浮力后，拉伸法的测量精度得到提高；微球压痕法拟合得到的赫兹接触定理新公式，可适用于五种水凝胶弹性模量的测定，计算误差小；基于重力做功建立的压痕重力法，计入了横向形变，拟合出的新公式可准确计算出水凝胶的杨氏模量，与拉伸法相比相对误差Er在5%以内。

目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2水凝胶

1.3水凝胶力学性能的测量

1.4研究目的

1.5研究内容

2 水凝胶制备条件研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 拉伸法测量水凝胶弹性模量

3.1引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

4 微球法测量水凝胶杨氏模量

4.1引言

4.2实验部分

4.3经典赫兹理论

4.4 经典赫兹理论的限制

4.5结果与讨论

4.6 本章小结

5 压痕重力法测量水凝胶杨氏模量

5.1引言

5.2实验部分

5.3压痕重力法公式推导

5.4结果与讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究工作与结论

6.2 未来展望

致谢

参考文献