水凝膠是指溶脹的三維網(wǎng)狀結構高分子，即聚合物分子間相互連接，行成空間網(wǎng)狀結構，且在網(wǎng)狀結構的孔隙中又填充了液體水介質(zhì)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，水凝膠是由液體水和高分子網(wǎng)絡(luò )所組成的，液體水被高分子網(wǎng)絡(luò )封閉在里面，失去流動(dòng)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(lèi)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(jiǎn)單介紹下其相關(guān)流變應用。

一、醫用透明質(zhì)酸鈉-剪切黏度和黏彈性

中華人民共和國醫藥行業(yè)標準YY/T 0308-2015《醫用透明質(zhì)酸鈉凝膠》中規定了此類(lèi)產(chǎn)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，可以被應用未外科手術(shù)敷料、眼科敷料、凝膠眼藥水等多個(gè)方面，也是醫美行業(yè)重要的產(chǎn)品之一。

此類(lèi)產(chǎn)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(jìn)行蠕動(dòng)掃描。在0.01s-1剪切速率下，眼科用透明質(zhì)酸鈉凝膠剪切黏度應不小于200000mPa.s，關(guān)節腔注射用透明質(zhì)酸鈉凝膠剪切黏度應不小于20000mPa.s。圖1為某眼科透明質(zhì)酸鈉凝膠流動(dòng)曲線(xiàn)圖。

黏彈性：在25±0.2℃下，采用流變儀在頻率從0.01Hz-100Hz下進(jìn)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。眼科用透明質(zhì)酸鈉凝膠在G’=G”時(shí)，頻率應小于0.5Hz，關(guān)節腔內注射用透明質(zhì)酸鈉凝膠在G’=G”時(shí)，頻率應小于1.0Hz。圖2為某眼科透明質(zhì)酸鈉凝膠頻率掃描曲線(xiàn)圖。

圖1 流動(dòng)曲線(xiàn) 

     圖2 黏彈性-頻率掃描曲線(xiàn)

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(huì )逐漸形成凝膠。三種濃度樣品流變測試結果見(jiàn)圖3：

圖3 時(shí)間掃描曲線(xiàn)

分析：

初始狀態(tài)：G”＞G’；

隨著(zhù)時(shí)間變化：G”與G’交點(diǎn)，此為特定頻率下的凝膠點(diǎn)；

凝膠點(diǎn)后：G’＞G”，形成三維網(wǎng)絡(luò )；

后期模量趨于穩定，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(lèi)液態(tài)）到高強度凝膠（類(lèi)固態(tài)）的轉變過(guò)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(shí)呈現液態(tài)，降溫后轉變?yōu)殡y以流動(dòng)的凝膠態(tài)，升溫后又轉變?yōu)榭梢粤鲃?dòng)的液態(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(chǎng)合，解決很多實(shí)際問(wèn)題。

圖4 溫度掃描曲線(xiàn)

四、水凝膠的強度表征

1、線(xiàn)性黏彈區（LVR）

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

一旦施加的力或形變超過(guò)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，甚至出現破裂和流動(dòng)。一般LVR區越寬，樣品越穩定，體系可以承受較大形變而不至于被破壞。

圖5 線(xiàn)性黏彈區

2、頻率掃描

通過(guò)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(shí)間尺度下的強度特性，*凝膠的樣品，一般G’＞G”且G’和G”無(wú)交點(diǎn)，G’不受頻率變化影響（如圖6），此應用在第一章節“醫用透明質(zhì)酸鈉-黏彈測試”也有相關(guān)介紹。

圖6 頻率掃描曲線(xiàn)

3、結構破壞與恢復

許多應用場(chǎng)景下（如美容用玻尿酸類(lèi)凝膠），水凝膠會(huì )發(fā)生較大形變（超過(guò)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(guò)程可以通過(guò)流變儀進(jìn)行階躍振蕩來(lái)實(shí)現，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(lái)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(huì )直接破碎，無(wú)法恢復。

圖7 結構破壞與恢復