水凝胶液固相变进程中有序结构的声辐射力场调控机制研究

Design and fabricate highly ordered structures in hydrogel are the major solutions to achieve highly anisotropic mechanical and actuation properties. It is of great importance for the fundament research and engineering applications in the field of artificial muscle and soft machine. This project aims to investigate the acoustic-field based fabrication of hydrogel with highly ordered structures. According to the developed acoustic constitution model of hydrogel including the phase-translation process in the gelation, the propagation properties of ultrasonic wave and acoustic radiation force effects of a Rayleigh scatterer in fluid phase and solid phase are analyzed. Based on their physical relationships, an unified calculation frame of acoustic radiation force on a Rayleigh scatterer with arbitrary geometry is to be proposed. Then the acoustic-induced motion of a micro-particle in the gelation process will be modeled and analyzed. And the influence of gelation on the equilibrium positions of microparticles in a acoustic radiation force field can be revealed, which is the theoretical guidance for acoustic radiation force based method of fabricating hydrogels with highly ordered structures. The further development of this acoustic field based fabrication technology could provide new biomaterials with improved morphologic and mechanical properties.

构建内部有序结构是当前提升水凝胶生物相似性、改善其方向性承载和驱动能力的主要方法，研究如何利用水凝胶中微纳米粒子的物理场响应来实现有序结构对仿生组织和智能软材料的发展具有重要意义。本项目旨在探索有序结构水凝胶的声学制备方法。通过引入考虑相变的水凝胶声学本构，明确水凝胶液固相变过程中声波传播特性、声流发展及微纳米粒子声辐射力效应的演化规律，提出适用于液、固传声媒质的声辐射力统一计算框架。在建立微纳米粒子的声致运动模型，查清成胶过程对微纳米粒子平衡位置影响规律的基础上，最终揭示成胶过程中利用声辐射力场调整和控制微纳米粒子平衡位置从而成型有序结构的力学机制。本项目为基于声辐射力场的有序结构水凝胶制备奠定了理论基础，该技术的后续发展可极大提高水凝胶形态学和力学方面的仿生性能，有助于人造肌肉和柔性机械取得新的突破。

构建内部有序结构是当前提升水凝胶生物相似性、改善其方向性承载和驱动能力的主要方法，研究如何利用水凝胶中微纳米粒子的物理场响应来实现有序结构对仿生组织和智能软材料的发展具有重要意义。本项目旨在探索有序结构水凝胶的声学制备方法，以水凝胶成胶过程中声波的传播特性、声流效应，微纳米粒子所受声辐射力效应、动力学响应为研究内容。搭建了面向水凝胶合成的声参数测量系统，实验发现当含水量80%以上水凝胶固液相声速基本一致，提出以含水量为和温度为参数的水凝胶声学演化本构。在考虑振速非线性下，基于摄动理论数值分析聚合过程对声波传播的影响规律。随后采用PIV系统测量液相媒质中声流的形式与强度，得到了声流对水凝胶初始聚合过程基本没有影响的结论以及随着预聚液粘度增大声流速度逐渐减小直至消失，对后续聚合过程有无影响的结论。实验和数值研究温度场和声流效应间的相互影响发现，声能耗散作为热源具有分布非均匀性而声流起到强制对流换热作用。针对水凝胶液-固相变时粘度急剧上升，发展了高粘度流体中辐射力的高效计算方法，量化分析了不同尺寸、材质微纳米粒子所受辐射力场，得到了一阶和二阶辐射力各自的支配条件；以声学演化本构为突破点，提出了适用于液固相变媒质的声辐射力统一计算框架。对微纳米粒子的声致运动研究发现，微纳米粒子始终处于力势最低的位置，随着媒质粘度的增大，声辐射力仅在幅值上发生变化，而声流会对粒子产生扰动，故提出在通过时间尺度分离辐射力和声流作用的方法。最后建立了声场分布与微纳米粒子平衡态分布间直接的映射关系，提出了计入微/纳结构散射效应的任意目标声场精确合成算法，为基于声辐射力场的有序结构水凝胶制备奠定了理论基础，该技术的后续发展有助于人造肌肉和柔性机械取得新的突破方法。相关研究成果总计发表论文15篇，其SCI收录14篇，EI收录1篇，在国际会议上宣读论文3篇，申请中国发明专利5项，已得到专利授权3项。