鸡内金拉伸力学性能及粘弹性本构模型

摘要

天然聚合物因其优异的生物相容性、生物粘附性及可降解性，在医学领域备受关注。但目前医用天然聚合物材料普遍存在强度较低的问题，尤其在体内的湿润环境中，亲水性聚合物强度会大幅度下降，无法满足组织工程支架的力学要求。解决该问题的方法中，设计支架结构的方法，对强度的提升十分有限；合成复合材料的方法常以牺牲天然材料的生物学性能为代价；对分子结构进行调节的方法，具有从根本上改变聚合物特性的潜力，但在设计材料时常常缺少合适的参照。因而想要设计制造同时具有良好亲水性和力学性能的聚合物材料，就需要回到自然界中，向适应环境的生物材料寻找参考。 本文运用仿生学思路，以生物材料鸡内金为研究对象，分别制备了沿褶皱和垂直于褶皱方向的拉伸试样，以考察鸡内金拉伸性能的方向性；通过构建湿度可控拉伸测试系统，测试不同含水量下鸡内金拉伸力学性能；通过将试样预先浸泡在不同pH值盐酸溶液中，衡量酸性侵蚀对其拉伸性能的影响。通过不同应变率拉伸、准静态拉伸加卸载及应力松弛实验对其粘弹性进行了测试，并使用广义Maxwell粘弹性本构方程对松弛实验数据进行拟合，构建了粘弹性本构方程。微观结构上，通过SEM观察试样拉伸变形后的液氮冻结剖面以及不同含水量下的断裂形貌，采用EDS分析技术对试样剖面的元素成分进行分析。 结果表明，鸡内金能够吸收自身干重80%-100%的水分，具有良好的亲水性能；在沿褶皱方向上的拉伸强度明显高于垂直褶皱方向的强度，力学性能具有方向性；在沿褶皱方向上，高含水量下的强度是低含水量的4.8倍，具有水合增强特性，而目前获得广泛关注的亲水性双网络水凝胶、蜘蛛丝等材料，拉伸强度会随含水量提高而出现明显的下降；鸡内金强度和延伸率在pH值为3的酸性溶液中不会大幅下降，说明其适应肌胃内腔的酸性环境。粘弹性测试中，构建了真实应变0.262-0.916、应变率0.001 s-1-0.1 s-1时鸡内金的拉伸粘弹性本构方程。微观结构上，鸡内金由沿厚度方向生长的棒状结构和填充其间的基体组成，含水量较低时，基体受拉伸会发生脆性断裂，随含水量提高，基体断裂形式从脆性断裂向延性断裂转变，导致试样断裂的缺陷从基体上下表面的初始裂纹逐渐转变为内部的韧窝。成分上，棒状结构上有钙元素的特异性富集。 鸡内金的拉伸性能可以适应肌胃内酸性液体环境并且满足肌胃运动的力学需求。鸡内金拉伸强度随含水量提高的性质，可以为提高天然聚合物在高湿度环境中的力学强度提供仿生学参照。本文提供的粘弹性本构方程可供相关力学研究参考。微观结构上，基体主要承受平面方向的拉伸，而棒状结构主要承受厚度方向的压缩和内腔食物的摩擦。

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