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Propiedades mecánicas del hidrogel

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIDROGEL

MEDIANTE NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUCCIÓN

El hidrogel es conocido por su gran capacidad de absorción de agua, que le confiere una flexibilidad muy similar a la de los tejidos naturales. Este parecido ha convertido al hidrogel en una elección habitual no sólo en biomateriales, sino también en aplicaciones electrónicas, medioambientales y de bienes de consumo, como las lentes de contacto. Cada aplicación requiere unas propiedades mecánicas específicas.

IMPORTANCIA DE LA NANOINDENTACIÓN PARA EL HIDROGEL

Los hidrogeles plantean retos únicos para la nanoindentación, como la selección de los parámetros de ensayo y la preparación de las muestras. Muchos sistemas de nanoindentación tienen importantes limitaciones, ya que no fueron diseñados originalmente para materiales tan blandos. Algunos de los sistemas de nanoindentación utilizan un conjunto de bobina/imán para aplicar fuerza sobre la muestra. No se mide la fuerza real, lo que provoca una carga imprecisa y no lineal al ensayar materiales blandos. materiales. Determinar el punto de contacto es extremadamente difícil, ya que el La profundidad es el único parámetro que se mide realmente. Es casi imposible observar el cambio de pendiente en el Profundidad vs Tiempo parcela durante el cuando la punta del penetrador se acerca al material de hidrogel.

Para superar las limitaciones de estos sistemas, el nanomódulo del NANOVEA Comprobador mecánico mide la retroalimentación de fuerza con una célula de carga individual para garantizar una alta precisión en todo tipo de materiales, blandos o duros. El desplazamiento piezo-controlado es extremadamente preciso y rápido. Esto permite una medición inigualable de las propiedades viscoelásticas al eliminar muchas suposiciones teóricas que deben tener en cuenta los sistemas con un conjunto de bobina/imán y sin realimentación de fuerza.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA El probador mecánico, en modo de nanoindentación, se utiliza para estudiar la dureza, el módulo elástico y la fluencia de una muestra de hidrogel.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

Una muestra de hidrogel colocada sobre un portaobjetos de vidrio se sometió a ensayo mediante la técnica de nanoindentación utilizando un NANOVEA Probador mecánico. Para este material blando se utilizó una punta esférica de 3 mm de diámetro. La carga aumentó linealmente de 0,06 a 10 mN durante el periodo de carga. A continuación, se midió la fluencia mediante el cambio de la profundidad de indentación con la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN: 100 μm/min

CARGA DE CONTACTOS
0,06 mN
CARGA MÁX
10 mN
TASA DE CARGA

20 mN/min

CREEP
70 s
RESULTADOS Y DEBATE

La evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo se muestra en FUGURA 1. Se puede observar que en el gráfico del Profundidad vs TiempoSin embargo, es muy difícil determinar el punto de cambio de pendiente al principio del período de carga, que suele servir como indicación del lugar en el que el penetrador empieza a entrar en contacto con el material blando. Sin embargo, el gráfico de la Carga vs Tiempo muestra el comportamiento peculiar del hidrogel bajo una carga aplicada. A medida que el hidrogel comienza a entrar en contacto con el indentador esférico, el hidrogel tira del indentador esférico debido a su tensión superficial, lo que tiende a disminuir el área superficial. Este comportamiento hace que la carga medida al principio de la fase de carga sea negativa. La carga aumenta progresivamente a medida que el penetrador se hunde en el hidrogel y, a continuación, se controla para que sea constante en la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos para estudiar el comportamiento de fluencia del hidrogel.

FIGURA 1: Evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo.

La trama del Profundidad de fluencia en función del tiempo se muestra en FIGURA 2y el Carga vs. Desplazamiento del ensayo de nanoindentación se muestra en FIGURA 3. El hidrogel de este estudio posee una dureza de 16,9 KPa y un módulo de Young de 160,2 KPa, calculados a partir de la curva de desplazamiento de carga mediante el método de Oliver-Pharr.

La fluencia es un factor importante para el estudio de las propiedades mecánicas de los hidrogeles. El control de retroalimentación en bucle cerrado entre la célula piezoeléctrica y la célula de carga ultrasensible garantiza una carga constante real durante el tiempo de fluencia a la carga máxima. Como se muestra en FIGURA 2, el hidrogel se hunde ~42 μm como resultado de la fluencia en 70 segundos bajo la carga máxima de 10 mN aplicada por la punta esférica de 3 mm.

FIGURA 2: Fluencia a una carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

FIGURA 3: Gráfico de carga frente a desplazamiento del hidrogel.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que la NANOVEA Mechanical Tester, en modo de nanoindentación, proporciona una medición precisa y repetible de las propiedades mecánicas de un hidrogel, incluidas la dureza, el módulo de Young y la fluencia. La gran punta esférica de 3 mm garantiza un contacto adecuado con la superficie del hidrogel. La etapa de muestra motorizada de alta precisión permite el posicionamiento exacto de la cara plana de la muestra de hidrogel bajo la punta esférica. El hidrogel de este estudio presenta una dureza de 16,9 KPa y un módulo de Young de 160,2 KPa. La profundidad de fluencia es de ~42 μm bajo una carga de 10 mN durante 70 segundos.

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