薄层约束下软固体高应变率粘弹性特性的惯性微空化测定新方法

针对生物组织等高散射介质中高应变率(>103 s-1)力学特性测量难题，研究人员开发了薄层惯性微空化流变技术(IMR)，通过轴ymmetric有限元模拟结合激光诱导空化实验，成功获取6%和14%明胶的Neo-Hookean Kelvin-Voigt模型参数，为不透明生物组织力学表征提供了新范式。

　　

在生物医学工程和材料科学领域，准确测量软材料如生物组织和水凝胶在高应变率(>10³ s^-1)下的力学特性至关重要。这类材料在创伤防护、手术器械设计和组织工程等领域有广泛应用，但传统测试方法难以捕捉其瞬态响应。更棘手的是，生物组织普遍存在光散射特性，使得依赖光学观测的惯性微空化流变技术(Inertial Microcavitation Rheometry, IMR)面临巨大挑战。虽然制备薄层样本可减少光散射，但样本厚度接近空化气泡尺寸时，边界约束效应会显著改变气泡动力学，导致传统IMR理论框架失效。

针对这一技术瓶颈，布朗大学的研究团队创新性地开发了薄层IMR方法。通过结合激光诱导空化实验与轴ymmetric有限元模拟，他们建立了适用于约束薄层的空化动力学模型，并以6%和14%明胶水凝胶为模型材料进行验证。研究发现，当层厚减至120-300μm时，边界约束会显著影响气泡的膨胀-塌缩过程，而传统无限域假设将导致材料参数误判。通过有限元方法精确捕捉边界效应，研究人员成功提取了两种明胶的剪切模量G和松弛时间t_relax=μ/G等关键参数。

关键技术方法包括：1) 采用300-g bloom猪皮明胶制备不同浓度(6%/14%)水凝胶薄层；2) 激光诱导空化技术产生可控微气泡；3) 高速摄像记录气泡动力学；4) 建立轴ymmetric有限元模型模拟薄层约束下的非球形气泡行为；5) 通过参数反演确定Neo-Hookean Kelvin-Voigt(NH-KV)模型参数。

研究结果：

1. 薄层IMR方法验证：对6%和14%明胶的参数估计显示，薄层IMR结果与独立球形气泡实验数据吻合良好，验证了方法的可靠性。
2. 边界效应量化：参数研究表明，层厚是影响气泡动力学的关键尺度，当气泡最大半径接近层厚时，边界约束使塌缩速度降低达40%。
3. 过尺寸气泡验证：对半径超过层厚的"过尺寸气泡"的模拟预测与实验观测高度一致，证实模型能准确捕捉强约束条件下的复杂流体-结构相互作用。

这项研究的意义在于：首次建立了适用于约束薄层的IMR完整框架，解决了不透明生物组织高应变率测试的技术难题。所开发的有限元方法能精确量化边界约束效应，为后续研究提供了标准化分析工具。更重要的是，该方法可直接推广至真实生物组织表征，为创伤生物力学、医用材料开发等领域提供了新的研究范式。论文提出的NH-KV模型参数数据库，也为相关领域的计算模拟提供了重要输入。这项工作标志着软材料高应变率表征技术从理想条件向实际应用场景的重要跨越。