Crosslinks increase the elastic modulus and fracture toughness of gelatin hydrogels

自愈水凝胶 材料科学 明胶 复合材料 韧性 弹性模量 断裂韧性 肿胀 的 脆性 压力(语言学) 高分子化学 化学 生物化学 哲学 语言学
作者
Anshul Shrivastava,Namrata Gundiah
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2203.08693
摘要

Hydrogels have the ability to undergo large deformations and yet fail like brittle materials. The development of biocompatible hydrogels with high strength and toughness is an ongoing challenge in many applications. We crosslinked bovine gelatin using glutaraldehyde (control) and methylglyoxal (MGO) and assessed changes in their fracture toughness. Swelling experiments show ~710% retention of water in MGO hydrogels as compared to ~450% in control specimens. We used FTIR to identify the presence of chemical groups that may be involved in the crosslinking of gelatin gels. Scanning electron micrographs of lyophilized MGO hydrogels show large pores with plate-like intact walls that help retain water as compared to control specimens. Monotonic compression tests demonstrate nonlinear stress-strain behaviors for both hydrogel groups. MGO samples had 96% higher moduli as compared to control hydrogels that had moduli of 4.77+-0.73 kPa (n=4). A first order Ogden model fit the stress-strain data well as compared to Mooney-Rivlin and neo-Hookean models. We used cavitation rheology to quantify the maximum pressure for bubble failure in the hydrogels using blunt needles with inner radii of 75, 150, 230, and 320 μm respectively. Pressures inside the bubbles increased linearly with time and dropped sharply following a critical value. Bubbles in MGO gels were small and penny-shaped as compared to large spherical bubbles in control samples. We used the critical pressures to quantify the fracture energies of the hydrogels. MGO treatment increased the fracture energy by 187% from 13.09 J/m2 for control gels. Finally, we discuss the challenges in using the Ogden and Mooney-Rivlin models to compute the failure energy for gelatin hydrogels.
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