(生物)聚合物网络在压缩过程中的孔隙弹性：理论与实验

软骨等柔软活体组织可被视为由纤维状复合生物聚合物网络与黏性背景液体组成的两相材料。本文通过实验与理论分析相结合表明，利用商用流变仪进行简单的斜坡压缩实验，即可确定(生物)聚合物网络的水力渗透率和弹性性质。在我们近似闭式求解的孔隙弹性运动方程中，压缩过程中的法向力响应表现为网络应力与流体压力的组合。选取具有可控孔径的纤维蛋白作为生物聚合物模型体系，压缩过程中完整时间依赖法向力的测量结果与理论计算高度吻合。所推断的大孔($\mathrm{\mu m}$)纤维蛋白网络的弹性响应依赖于应变率，表明网络弹性与流体流动之间存在强烈的相互作用。将计算的法向力唯象地推广至非线性弹性 regime，我们发现小孔(亚$\mathrm{\mu m}$)纤维蛋白网络发生应变硬化的起始平均切向应力出现在凝胶-平板界面，且该应力按幂律依赖于聚合物浓度。所推断的小孔纤维蛋白网络的渗透率大致随纤维蛋白浓度呈逆平方标度，结合微观立方晶格模型意味着纤维蛋白纤维的厚度随蛋白浓度减小。我们的理论模型提供了一种利用简单压缩实验获取生物聚合物网络与水凝胶的水力渗透率和弹性性质的新方法，并为研究动态压缩过程中生物聚合物网络内流体流动与弹性之间的关系铺平了道路。