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Propiedades mecánicas del hidrogel

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIDROGEL

UTILIZANDO LA NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUCCIÓN

El hidrogel es conocido por su gran capacidad de absorción de agua, lo que le confiere una flexibilidad muy similar a la de los tejidos naturales. Este parecido ha hecho que el hidrogel sea una opción habitual no sólo en los biomateriales, sino también en la electrónica, el medio ambiente y las aplicaciones de bienes de consumo, como las lentes de contacto. Cada aplicación única requiere propiedades mecánicas específicas del hidrogel.

IMPORTANCIA DE LA NANOINDENTACIÓN PARA EL HIDROGEL

Los hidrogeles crean desafíos únicos para la nanoindentación, como la selección de los parámetros de prueba y la preparación de la muestra. Muchos sistemas de nanoindentación tienen grandes 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 la fuerza sobre la muestra. No se mide la fuerza real, lo que da lugar a una carga inexacta y no lineal cuando se prueban 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 en función del tiempo parcela durante el cuando la punta del indentador se acerca al material de hidrogel.

Para superar las limitaciones de estos sistemas, el nano módulo del NANOVEA Probador Mecánico Mide la retroalimentación de fuerza con una celda de carga individual para garantizar una alta precisión en todo tipo de materiales, blandos o duros. El desplazamiento controlado piezoeléctricamente es extremadamente preciso y rápido. Esto permite una medición incomparable de las propiedades viscoelásticas al eliminar muchas suposiciones teóricas que deben tener en cuenta los sistemas con un conjunto de bobina/imán y sin retroalimentación 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 PRUEBA

Una muestra de hidrogel colocada en un portaobjetos de vidrio se probó 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. La fluencia se midió entonces por el cambio de la profundidad de indentación a la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN: 100 μm/min

CARGA DE CONTACTO
0,06 mN
CARGA MÁXIMA
10 mN
TASA DE CARGA

20 mN/min

CREEP
70 s
RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo se muestra en FUGURA 1. Se puede observar que en el gráfico de la Profundidad en función del tiempoEn este caso, es muy difícil determinar el punto de cambio de pendiente al principio del período de carga, que suele servir de indicación del lugar en el que el indentador empieza a entrar en contacto con el material blando. Sin embargo, el gráfico de la Carga vs. Tiempo muestra el peculiar comportamiento del hidrogel bajo una carga aplicada. Cuando el hidrogel empieza a entrar en contacto con el indentador de bola, el hidrogel tira del indentador de bola debido a su tensión superficial, lo que tiende a disminuir la superficie. Este comportamiento conduce a la carga negativa medida al principio de la etapa de carga. La carga aumenta progresivamente a medida que el indentador se hunde en el hidrogel, y luego 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 de la prueba 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 el piezoeléctrico y la célula de carga ultrasensible garantiza una verdadera carga constante durante el tiempo de fluencia en la carga máxima. Como se muestra en FIGURA 2El hidrogel se hunde ~42 μm como resultado de la fluencia en 70 segundos bajo la carga máxima de 10 mN aplicada por la punta de bola de 3 mm.

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

FIGURA 3: Gráfico de carga vs. desplazamiento del hidrogel.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos que el NANOVEA El probador mecánico, en modo de nanoindentación, proporciona una medición precisa y repetible de las propiedades mecánicas de un hidrogel, incluyendo 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 de bola. 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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