通过干燥过程揭示琼脂水凝胶的孔弹性演化

为什么软凝胶的干燥很重要

由海藻制成的琼脂凝胶在日常技术中默默发挥基础作用，从实验室检测和药物传递到甜点和植物基食品。这些凝胶大多由水组成，但在空气中干燥时，它们的强度和质地可能发生显著变化。这项研究提出了一个既简单又重要的问题：当这些富含水分的材料失去水分、收缩并变硬时，内部到底发生了什么？通过观察琼脂糖水凝胶的干燥过程并精确测量其形状和硬度的演变，作者揭示了一个隐蔽的、先软化后硬化的两步演化过程，这一发现可帮助工程师更好地设计在实际条件下表现可靠的凝胶。

从海藻粉到软固体

研究人员关注的是由琼脂糖制成的水凝胶，琼脂糖是从红藻中提取的琼脂的纯化成分。琼脂糖形成由微细纤维构成的三维网络，困住水分，生成清澈的果冻状固体。由于其生物相容性好且孔径及刚度可调，琼脂糖广泛用于细胞支撑、分离生物分子的介质以及食品和药品中的增稠剂。在许多应用中，凝胶并非始终保持完全湿润：它可能从边缘开始干燥、长期储存，或经历温度和湿度变化。然而，与完全水合的凝胶相比，对于它们在实际干燥过程中内部结构和力学行为如何演变，我们所知甚少。

观察凝胶的收缩与变硬

为追踪这一演化过程，团队制备了不同浓度的圆柱形琼脂糖和琼脂凝胶，并在空气中放置干燥长达三天。每隔数小时拍摄的高分辨率照片显示出随着水分蒸发，凝胶逐渐收缩和颜色变化。在关键时间点——2、4、24和72小时后，他们用测力装置沿高度方向压缩样品，从应力-应变曲线的初始线性段提取杨氏模量（即标准的刚度度量）。他们还对部分样品进行冷冻干燥并用扫描电子显微镜成像，以捕捉干燥前后的多孔网络结构。最后，他们使用经典扩散方程对水分损失建模，估算不同固含量凝胶中水分移动的速率。

令人大感意外的两阶段刚度变化

测量结果显示，凝胶在干燥过程中并非单调变硬。相反，刚度在最初一天内先略有下降，随后在接下来的几天内急剧上升。显微结构和体积数据表明，两种不同的屈曲事件驱动了这种非单调行为。早期，少量水主要从外层逸出，整体体积仅收缩到足以使半柔性纤维网络发生屈曲和下垂。即便在失水的同时，这种内部不稳定性会暂时使材料变软。之后，随着干燥继续、更多水分被排出，孔隙本身开始坍塌。纤维相互靠拢，网络致密化，凝胶明显变硬——并最终变得更脆。

浓度如何控制干燥

扩散分析表明，稀薄凝胶中水分逸散更快，而致密凝胶中更慢。低浓度凝胶具有较宽、通透的孔隙，扩散系数更高，干燥迅速，但这种快速收缩可能导致表面结皮、内部应力不均并增加开裂风险。高浓度样品由于更紧密的网络阻碍了水分移动，因此干燥较慢。在这些样品中，收缩与变硬更为缓和，后期孔隙屈曲产生强韧且刚性的结构。跨越所有浓度，基本的两阶段模式是一致的：先是网络屈曲与软化，然后是孔隙坍塌与增强。

这些发现的用途

通过将水分损失、微观结构与整体力学响应联系起来，这项工作为琼脂糖水凝胶在干燥过程中的演变提供了清晰的物理图景。对于设计组织支架、诊断设备、软体机器人或食物质地的工程师和科学家来说，关键结论是：干燥不仅仅是简单的失水。它是一个动态序列，内部网络先弱化然后锁定为更致密、更刚性的状态，而这些变化的速度与程度由凝胶的浓度控制。理解并调节这一两步过程，有助于制造在时间演变中保持合适软硬度和平衡性能的水凝胶材料。

引用: Ed-Daoui, A., Chafi, N., Khoshnaw, F. et al. Unveiling the poroelastic evolution of agar hydrogels through the drying process. Sci Rep 16, 11929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41283-y

关键词: 琼脂糖水凝胶, 干燥, 力学性能, 孔弹性, 屈曲