水凝膠，是指溶脹的三維網狀結構高分子，即聚合物分子間相互連接，行成空間網狀結構，且在網狀結構的孔隙中又填充了液體水介質。簡單的說，水凝膠是由液體水和高分子網絡所組成的，液體水被高分子網絡封閉在里面，失去流動性，因此凝膠能像固體一樣顯示出一定的形狀。水凝膠的種類很多，有組織替代型、反應型、溫敏型、PH型等等，下面力晶小邵給大家簡單介紹下其相關流變應用。

一、透明質酸鈉-剪切黏度和黏彈性

中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標準YY/T 0308-2015《》中規(guī)定了此類產品的流變測試要求。要求水凝膠表面光滑，具有良好的生物特性，可以被應用未敷料、眼科敷料、凝膠等多個方面，也是醫(yī)美行業(yè)重要的產品之一。

此類產品的流變測試項目如下：

剪切黏度：在25±0.2℃下，采用流變儀在剪切速率從0.001s-1-1000s-1下進行蠕動掃描。在0.01s-1剪切速率下，眼科用剪切黏度應不小于200000mPa.s，關節(jié)腔注射用剪切黏度應不小于20000mPa.s。圖1為某眼科流動曲線圖。

黏彈性：在25±0.2℃下，采用流變儀在頻率從0.01Hz-100Hz下進行頻率掃描，繪制黏性模量G“和彈性模量G’值的對數與頻率f的對數坐標圖。眼科用在G’=G”時，頻率應小于0.5Hz，關節(jié)腔內注射用在G’=G”時，頻率應小于1.0Hz。圖2為某眼科頻率掃描曲線圖。

圖1 流動曲線 

     圖2 黏彈性-頻率掃描曲線

二、反應型水凝膠測試

某種水溶性蛋白分子，分別加入三種不同濃度的交聯(lián)劑混均勻后，快速加載到旋轉流變儀上，在37℃會逐漸形成凝膠。三種濃度樣品流變測試結果見圖3：

圖3 時間掃描曲線

分析：

初始狀態(tài)：G”＞G’；

隨著時間變化：G”與G’交點，此為特定頻率下的凝膠點；

凝膠點后：G’＞G”，形成三維網絡；

后期模量趨于穩(wěn)定，代表凝膠反應趨于結束，可以完整表征樣品從低黏度液態(tài)（類液態(tài)）到高強度凝膠（類固態(tài)）的轉變過程。

三、溫敏型水凝膠測試

某些溫敏型水凝膠具有可逆凝膠轉變特征，溫度較高時呈現(xiàn)液態(tài)，降溫后轉變?yōu)殡y以流動的凝膠態(tài)，升溫后又轉變?yōu)榭梢粤鲃拥囊簯B(tài)，再降溫又可以轉變?yōu)槟z態(tài)，如圖4。這種可逆特性可以應用在很多場合，解決很多實際問題。

圖4 溫度掃描曲線

四、水凝膠的強度表征

1、線性黏彈區(qū)（LVR）

線性粘彈區(qū)可反應體系的結構性，可以表征樣品穩(wěn)定性情況。當G’>G”，樣品呈現(xiàn)類固態(tài)，有一定的硬度和穩(wěn)定性；當G’，樣品體系內部結構性較弱，呈現(xiàn)類流態(tài)。

一旦施加的力或形變超過LVR（如圖5），樣品內部即發(fā)生一定程度的破壞，模量降低，強度降低，甚至出現(xiàn)破裂和流動。一般LVR區(qū)越寬，樣品越穩(wěn)定，體系可以承受較大形變而不至于被破壞。

圖5 線性黏彈區(qū)

2、頻率掃描

通過頻率掃描測試得到的黏彈性模量在不同頻率下的變化，可表征樣品在不同時間尺度下的強度特性，凝膠的樣品，一般G’＞G”且G’和G”無交點，G’不受頻率變化影響（如圖6），此應用在章節(jié)“透明質酸鈉-黏彈測試”也有相關介紹。

圖6 頻率掃描曲線

3、結構破壞與恢復

許多應用場景下（如美容用玻尿酸類凝膠），水凝膠會發(fā)生較大形變（超過LVR），樣品在發(fā)生較大形變之后恢復到初始狀態(tài)多少決定了其抗形變的能力。此過程可以通過流變儀進行階躍振蕩來實現(xiàn)，從小形變（G’＞G”）到大形變（G”＞G’），循環(huán)多次，結束后根據模量恢復多少來表征樣品結構恢復能力，如圖7。

注意：不是所有水凝膠都有此恢復性能，一些較硬的凝膠（偏固體），大形變后會直接破碎，無法恢復。

圖7 結構破壞與恢復