一、研究背景與材料體系

膠體凝膠作為一類由納米或微米顆粒通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，在生物醫(yī)學(xué)、食品工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。近年來，基于天然生物材料的膠體凝膠因其優(yōu)異的生物相容性備受關(guān)注。

本研究報道了一種由 β- 乳球蛋白（BLG）淀粉樣纖維與碳酸鈣納米顆粒（CaNPs）形成的新型雜化膠體凝膠。該體系以 Ca²?作為電荷屏蔽離子，CaNPs 作為物理交聯(lián)劑，構(gòu)建并穩(wěn)定凝膠網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鈣誘導(dǎo)淀粉樣纖維凝膠的力學(xué)性能 —— 凝膠強(qiáng)度提升兩個數(shù)量級，且凝膠化時間大幅縮短，并具有 pH 響應(yīng)性和自修復(fù)特性，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了理想的材料選擇。

二、微流變技術(shù)的原理與優(yōu)勢

瑞士LSI的Rheolab微流變技術(shù)，特別是擴(kuò)散波光譜（DWS），作為動態(tài)光散射技術(shù)的延伸，能夠?qū)Ω邷啙岫葮悠愤M(jìn)行表征，通過測量散射光強(qiáng)的時間漲落，獲取體系中顆粒的運動信息，進(jìn)而揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)與動態(tài)變化。相較于傳統(tǒng)的宏觀流變測試，其核心優(yōu)勢在于：

• 可實現(xiàn)非侵入式測量

• 避免對凝膠網(wǎng)絡(luò)的破壞對微小尺度（納米級）的運動變化具有極高敏感性

• 捕捉凝膠化過程中的動態(tài)演變，提供實時的動力學(xué)信息。

三、微流變技術(shù)在凝膠研究中的具體應(yīng)用

① 凝膠化過程的動態(tài)監(jiān)測

研究通過 DWS 技術(shù)系統(tǒng)追蹤了 BLG 纖維與 CaNPs 混合體系的凝膠化進(jìn)程。結(jié)果顯示，混合后 1 分 15 秒時，體系已呈現(xiàn)非遍歷行為，表明凝膠網(wǎng)絡(luò)開始形成；隨著時間延長（至 5 分鐘），這種特性進(jìn)一步增強(qiáng)，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的逐步完善。

通過分析均方位移（MSD）曲線，可清晰區(qū)分凝膠化的兩個階段：

- 早期階段（15 秒）：顆粒表現(xiàn)出受限運動特征，短時間尺度內(nèi)位移有限，長時間尺度下呈現(xiàn)類布朗運動，表明此時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散，部分顆?？勺杂蓴U(kuò)散。

- 后期階段（9 分 15 秒）：MSD 曲線初始階段保持恒定，顯示彈性網(wǎng)絡(luò)的形成，隨后呈現(xiàn)超擴(kuò)散行為，反映了凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定構(gòu)建。

② 微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)聯(lián)分析

借助 DWS 技術(shù)，研究揭示了 CaNPs 的尺寸（比表面積）和濃度對凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的影響。結(jié)果表明：

具有較高比表面積（64 m²/g）的 CaNPs 因數(shù)量密度更高，能形成更致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，顯著提升凝膠強(qiáng)度隨著 CaNPs 濃度增加，體系的凝膠化動力學(xué)進(jìn)程加快，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性提高。

這些微觀層面的發(fā)現(xiàn)與宏觀流變測試結(jié)果（儲能模量 G' 的變化）高度一致，驗證了微流變技術(shù)在揭示結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系中的橋梁作用。

四、研究價值與應(yīng)用前景

微流變技術(shù)的應(yīng)用為深入理解雜化膠體凝膠的形成機(jī)制提供了關(guān)鍵的實驗依據(jù)。通過該技術(shù)，研究者不僅明確了 CaNPs 在凝膠網(wǎng)絡(luò)中的交聯(lián)作用，還建立了 CaNPs 尺寸、濃度與凝膠化動力學(xué)及力學(xué)性能的定量關(guān)系，為可控設(shè)計高性能膠體凝膠材料提供了指導(dǎo)。

在更廣泛的研究領(lǐng)域中，微流變技術(shù)為復(fù)雜膠體體系的表征提供了強(qiáng)有力的工具，尤其適用于生物基凝膠、納米復(fù)合材料等新興材料的研究，有助于加速高性能功能材料的研發(fā)進(jìn)程。

五、總結(jié)

Rheolab微流變技術(shù)作為一種先進(jìn)的表征手段，在 BLG-CaNPs 雜化膠體凝膠的研究中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，通過對凝膠化過程的實時監(jiān)測和微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析，深刻揭示了該新型材料體系的形成機(jī)制與性能調(diào)控規(guī)律。這一技術(shù)不僅為本次研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，更為膠體材料科學(xué)領(lǐng)域的研究方法創(chuàng)新提供了重要參考，推動了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能的跨尺度研究范式的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Yi Shen, Gustav Nyström, and Raffaele Mezzenga* Amyloid Fibrils form Hybrid Colloidal Gels and Aerogels with Dispersed CaCO3 Nanoparticles, ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS, DOI：10.1002/adfm.201700897, Adv. Funct. Mater. 2017, 1700897

儀器名稱：擴(kuò)散波光譜儀（光學(xué)法微流變）

型號：DWS RheoLab

品牌：LS Instruments

DWS RheoLab是一款整機(jī)易操作的儀器，對于專家學(xué)者和初學(xué)者都適用。DWS RheoLab擴(kuò)散波光譜儀基于革命性的DWS技術(shù)，一款光學(xué)儀器，可以在無與倫比的頻率和彈性范圍內(nèi)表征樣品的流變特征。