低弹性模量聚丙烯酰胺水凝胶力学性能测定方法的研究

摘要

细胞所处的力学环境对细胞的行为比如细胞的迁移、增殖、分化及形态调整等起着至关重要的作用。而许多的生理及病理过程都与细胞的这些行为密切相关。因而，为了构建良好的细胞体外培养模型，除需考虑生物化学因素外，还需考虑生物力学因素。而现如今所用细胞培养基底所存在的一个弊病是：目前所用的细胞培养基质的硬度与细胞在体组织环境的硬度相差很大——这些基质往往都是玻璃或塑料培养皿，硬度高达106~9Pa，无法准确反映出生物力学因素对细胞的影响，导致研究结果与在体细胞生长情况产生极大偏差。因此，构建合适硬度的、力学性能可控的体外培养模型至关重要。
　　水凝胶有着良好的弹性及生物相容性，且其含水率与机体组织、器官的大分子相似，目前已越来越广泛地被用作生物医学材料。研究中发现，水凝胶的硬度也高度可控。水凝胶的硬度一般以杨氏模量来表征。然而，纵观国内外水凝胶杨氏模量测量的研究现状，尽管目前测量方法有许多种，而国内外始终没有一个统一的方法来测量水凝胶的杨氏模量。尤其是对低弹性模量的水凝胶。
　　鉴于此，本文将讨论目前应用的比较多的几种方法——拉伸法、压缩法、压痕法来测量低弹性水凝胶的杨氏模量，并在传统测量基础上对其进行改进。主要工作在于：第一，基于传统拉伸法并对其进行改进：以水中拉伸取代空气中拉伸，利用浮力作用克服自重变形，减小实验误差；第二，以高频振荡压缩法对水凝胶杨氏模量进行测量，并以Matlab等数据处理软件对大量数据进行处理，从得到杨氏模量；第三，建立微球压痕法测量水凝胶杨氏模量体系，并对所涉及到的传统公式进行改进，使得测量结果更为准确。文中所用水凝胶为目前应用最为广泛的聚丙烯酰胺（PA）水凝胶，其硬度已被良好界定。以AFM（原子力显微镜）所测的PA水凝胶的杨氏模量值作为参考值。研究结果如下：改进拉伸法测量结果较为准确，比较有参考性且测量方法简单，可行性强；以高频压缩法测量2kPa以内的水凝胶的杨氏模量时，误差极为巨大，而对硬度稍大的水凝胶其测量值较为准确；在微球压痕法实验中，若以传统赫兹接触公式进行计算，得出的结果与参考值相差巨大，而以经改进后的公式计算则较为准确。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3研究目的

1.4主要研究内容

2 改进拉伸法测量聚丙烯酰胺（PA）水凝胶杨氏模量

2.1 PA水凝胶溶胀性能的测定

2.2 改进拉伸法测定PA水凝胶的杨氏模量

2.3线弹性假定的合理性分析

2.4结果与分析

2.5本章小结

3 压缩法测量PA水凝胶杨氏模量

3.1引言

3.2 制备PA水凝胶的仪器、材料以及方法

3.3结果与分析

3.4 本章小结

4 微球压痕法的理论依据及公式推导

4.1引言

4.2 微球压痕法测量低弹性水凝胶杨氏模量的理论依据

4.3 微球压痕法测量低弹性水凝胶杨氏模量的公式的改进

4.4 本章小结

5 微球压痕法测定PA水凝胶杨氏模量

5.1引言

5.2 制备PA水凝胶的仪器、材料以及方法

5.3测量及计算

5.4几种测量方法的比较

5.5聚乙烯醇（PVA）水凝胶对微球法的验证

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1主要研究工作及结论

6.2工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表论文情况

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况