水凝胶机械特性与扩散行为的数学模型助力生物3D打印的研究

供稿人:赵廷泽 连芩

水凝胶因其良好的生物相容性、机械性能和运输性能，被广泛应用于生物医学、制药学、营养医学等领域。为了在应用中能够选用到性能合适的水凝胶，需要深入了解水凝胶的特性，并预测其成形后的性能，以节省实验中不断尝试和改进的时间和成本。对此，萨勒诺大学Diego Caccavo等人对影响水凝胶性能的主要特性参数及数学模型进行了研究，并根据三个特征时间参数提出了在不同应用下水凝胶的材料、形状和尺寸的选择标准。该研究对生物3D打印中如何合理选择或改善出具有一定机械性能的水凝胶提出了选择或改善的参考标准，对制造出性能更加良好的水凝胶3D打印产品具有一定的促进作用。

该研究的主要内容包括：通过三个特征时间参数（弛豫时间、扩散时间以及进程时间），将水凝胶的力学性能分别在11种具体情况下的行为表现进行了分析，如表1所示。其中在情况1~4中，水凝胶表现为弹性；情况5、7表现为多孔弹性（水凝胶内水分子大范围移动，导致水凝胶的溶胀和退胀）；情况6、8表现为粘弹性（水凝胶内水分子小范围移动，水凝胶形状可变而体积不变）；情况9~11是当进程时间远大于弛豫时间和扩散时间时水凝胶性能变化的动态过程。并将此11种情况用图2表示。

当选择某种水凝胶材料（弛豫时间、水扩散率D由材料本身确定），可以通过改变d扩散特征长度以改变扩散时间，进而调整在进程时间中水凝胶的力学行为。为了证明了这一点，该团队利用所提出的数学模型进行仿真，其结果如图3所示。

研究者们提出可根据图2中的11种情况作为水凝胶材料、形状或尺寸的选择标准。例如假设当系统需要水凝胶的力学性能表现为多孔弹性时。这种情况下，进程时间在量级上需等于或大于扩散时间。如果材料的扩散率D不能调整，可以通过选择扩散特征长度合适的水凝胶，使进程时间与扩散时间匹配。

该研究旨在通过特征参数建立的数学模型以及本文中提出的选择标准，也为生物3D打印中水凝胶提出了一种参考标准，对促进水凝胶合理使用提供了新的助力。

参考文献：
Caccavo D, Cascone S, Lamberti G, et al. Hydrogels: experimental characterization and mathematical modelling of their mechanical and diffusive behaviour.[J]. Chemical Society Reviews, 2018, 47(7).


供稿人:赵廷泽 连芩