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在生物组织等软物质的多轴应力研究中，空化现象理解不足。研究人员借助叠加剪切空化（SSC）装置，探究扭转剪切应力对软物质空化的影响。发现临界压力（Pc）随预剪切应力增加，为相关理论验证提供依据，推动生物力学研究。
在生命科学和健康医学领域，生物组织等软物质的力学特性研究至关重要。想象一下，在运动场上运动员激烈碰撞、交通事故中人体遭受冲击，还有手术时医生对组织的操作，这些场景里生物组织都承受着复杂的应力。而空化现象，作为软物质的一种特殊失效模式，就像隐藏在暗处的 “破坏者”，时刻影响着组织的完整性和功能。然而，当前人们对它的了解却少之又少。
以往的研究大多集中在初始无应力样本中的空化现象，但现实中生物材料几乎不会处于无应力状态。它们常常承受着诸如关节运动时软骨所受的复杂载荷，以及脑部受冲击时脑组织承受的动态应力。这种多轴应力状态下软物质的行为数据缺失，严重阻碍了广义空化理论的发展和验证。为了填补这一空白，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。
研究人员使用的关键技术方法主要有两种。一是叠加剪切空化（SSC）技术，该技术改进了传统的针诱导空化（NIC）实验，将凝胶置于 Taylor–Couette 细胞中，能在插入注射器针头前对凝胶施加方位剪切应力。二是将凝胶样本建模为不可压缩、各向同性的 Neo - Hookean 材料，以此来估计针尖端附近的应力状态。
凝胶样本制备
实验采用由 Kuraray Co. Ltd 提供的 PMMA - PnBA - PMMA 凝胶样本，其线性聚合物分子由中间的 PnBA（Mw = 53,000 g/mol）和两侧的 PMMA（Mw = 8,900 g/mol）组成，通过阴离子聚合合成，能精确控制各嵌段分子量。
理论
把 PMMA9凝胶视为不可压缩、各向同性的 Neo - Hookean 材料，推导了仅由Ωi旋转引起的纯方位剪切变形产生的位移和应力场，以及针插入和空气加压后的应力场。同时介绍了 Lopez - Pamies 等人的广义空化理论。
比较 NIC 和 SSC 在Ωi = 0 时的情况
当不对 PMMA9样本施加剪切，且固定针的几何形状和插入深度时，SSC 和 NIC 的主要差异在于凝胶样本及其容器的几何形状，需考虑针尖端与最近不可移动边界的距离。
研究结果表明，利用 SSC 装置测量不同扭转程度的三嵌段共聚物（PMMA - PnBA - PMMA）凝胶样本的临界压力（Pc）时，发现Pc通常随施加的预剪切应力增加而增加。这一结果与 Lopez - Pamies 等人提出的广义空化理论定性相符，为该理论提供了一定的实验依据。并且，该过程似乎导致空化更突然，原本球形的空腔 / 裂缝有沿细胞纵轴伸长的趋势。同时，对相同凝胶样本进行的 NIC 实验与Ωi = 0° 的 SSC 数据对比显示，两种技术得到的Pc值相似。此外，研究人员通过将凝胶建模为 Neo - Hookean 材料，将测量的Pc值与广义空化理论计算结果进行比较，进而对该理论进行了修正，以考虑凝胶表面张力的贡献。
在结论和讨论部分，基于针的空化流变学实验为系统研究软物质中的空化现象提供了有效途径。凝胶样本可模拟生物组织，用于研究关键物理损伤背后的损伤机制和开发创新医疗疗法。本研究的 SSC 装置和实验结果，不仅为广义空化理论的验证提供了数据支持，还展示了其在模型开发和验证方面的价值。这一研究成果有助于深入理解生物材料在复杂应力下的行为，为生物力学、医学等相关领域的发展奠定了更坚实的理论基础，有望推动诸如创伤性脑损伤治疗、药物递送等应用的进一步发展。
