軟物質與生物材料的力學表征技術綜述

一、 為什么軟材料力學測試與眾不同？

與傳統金屬、塑料等硬材料相比，軟材料（如凝膠、組織、彈性體）有其獨特之處：

模量極低：通常在 kPa 到 MPa 量級，而鋼鐵在 GPa 量級。

大變形：能夠承受百分之幾百甚至上千的應變而不破壞。

非線性：應力-應變曲線通常不是直線，表現為 J-型或 S-型。

時間依賴性：表現出粘彈性，即其力學行為與加載速率相關（如蠕變、應力松弛）。

對環境和測試條件極其敏感：溫度、濕度、 hydration（水合狀態）對性能影響巨大。

因此，測試硬材料的傳統方法（如標準啞鈴型試樣拉伸）往往不直接適用于軟材料。

二、 核心測試方法與儀器

以下是幾種專門針對軟材料的力學測試技術：

1. 拉伸/壓縮測試

這是最基礎也是最重要的測試。

原理：對樣品施加單向的拉伸或壓縮力，測量其變形和力，得到應力-應變曲線。

關鍵設備：

材料試驗機：需要配備微小力傳感器（如1N, 10N, 50N），因為力值很小。

非接觸式視頻引伸計：這是軟材料測試的神器！ 傳統的接觸式引伸計會壓入或損傷軟樣品，而視頻引伸計通過跟蹤樣品上的標記點來精確測量應變，無接觸。

樣品制備：通常制成“狗骨頭"形狀以減少夾持端的應力集中。對于水凝膠等，需要在濕潤環境中測試以防止水分蒸發。

2. 納米壓痕/微米壓痕

用于測量材料在微小尺度上的局部力學性能。

原理：使用一個非常小的探針（針尖尺寸可從納米到微米）壓入材料表面，通過記錄力-位移曲線來計算材料的楊氏模量、硬度等。

應用：非常適合測試生物組織（如單個細胞、細胞團、皮膚）、薄膜、水凝膠等異質材料。

優勢：空間分辨率高，能繪制材料的力學性能分布圖。

3. 剪切測試

用于測量材料的剪切模量。

原理：使材料的一個平面相對于另一個平行平面產生滑動。常見的配置有平行板剪切、扭轉剪切等。

應用：常用于測試生物粘液、潤滑劑、軟膏等。

三、 關鍵挑戰與解決方案

1. 夾持問題

挑戰：軟樣品在夾具中容易打滑或被夾壞。

解決方案：使用帶紋理或砂紙的夾具、氣動夾具（壓力均勻）、或者直接將樣品粘在夾具上（對于非常軟的材料）。

2. 樣品制備

挑戰：制備形狀規則、無缺陷的軟樣品困難。

解決方案：使用激光切割、定制模具或沖壓器來制備樣品。

3. 環境影響

挑戰：水凝膠會干燥，生物組織會降解。

解決方案：在測試環境中使用保濕腔室或將樣品浸泡在PBS緩沖液等生理溶液中。

4. 邊界效應

挑戰：在壓痕或剪切測試中，基底的剛性會影響測量結果。

解決方案：確保樣品厚度足夠大，或使用考慮基底效應的理論模型進行數據分析。

四、 數據分析與典型力學響應

以單軸拉伸測試為例：

應力-應變曲線：

初始斜率：代表楊氏模量（E），反映材料的初始剛度。

曲線形狀：

彈性體：曲線平滑上升，通常有很長的平臺區，代表分子鏈的伸展和重排。

生物組織：常呈 “J型"曲線，初始非常軟（適應大變形），隨后急劇硬化以抵抗破壞（如膠原纖維被拉直并承載）。

斷裂點：給出極限應力和極限應變。

粘彈性分析：

蠕變測試：施加恒定應力，觀察應變隨時間增加。

應力松弛測試：施加恒定應變，觀察應力隨時間衰減。

這些數據可以用彈簧和阻尼器的模型（如Maxwell, Kelvin-Voigt模型）來擬合，以提取特征松弛時間。

總結

軟材料力學測試是一個充滿挑戰但回報豐厚的領域。成功測試的關鍵在于：

1. 選擇合適的測試方法以回答特定的科學或工程問題。

2. 精心制備樣品并控制測試環境。

3. 使用正確的測量工具，特別是非接觸式應變測量。

4. 理解并正確解釋材料的非線性、大變形和粘彈性行為。

希望這份分享對您有幫助！如果您對某個特定的測試方法或材料有更深入的興趣，我們可以繼續探討。