纤维增强水凝胶的各向异性微结构模型
软凝聚态物质
2025-03-26 v2
摘要
纤维增强水凝胶因其强度、韧性和可调性，被视为生物医学应用的有前景的材料。然而，由于缺乏能够预测和因此优化其行为的灵活建模框架，仍不清楚如何设计用于特定应用的纤维增强水凝胶。本文提出了一种纤维增强水凝胶的各向异性微结构模型，捕捉纤维网络的特定几何形状。该模型还考虑了纤维网络初始中的松弛问题，并在变形过程中逐步移除松弛。纤维网络的力学模型与用于水凝胶基质的非线性多孔弹性模型相耦合，后者考虑了渗透压应力。通过将模型预测与无侧压压缩实验数据进行比较，我们发现该模型能够捕捉 J 形应力-应变曲线和随时间变化的 creep 响应。我们展示了该模型可用于引导人工关节脊髓材料的设计，通过探索如何最大化渗透压来实现此目的。我们发现，通过使用更硬的纤维、移除纤维网络的松弛以及降低水凝胶基质的杨氏模量，可增加渗透压。最后，开发了一个高层次且开源的 Python 软件包，用于使用该模型模拟无侧压压缩实验。
引用
@article{arxiv.2503.04485,
title = {A microstructural model of transversely isotropic, fibre-reinforced hydrogels},
author = {Matthew G. Hennessy and Tom Shearer and Axel C. Moore},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.04485},
year = {2025}
}