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交聯形成的三維網絡結構材料，在生物醫學、食品工程等領域展現出巨大應用潛力。近年來，基于天然生物材料的膠體凝膠因其優異的生物相容性備受關注。

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 作為物理交聯劑，構建并穩定凝膠網絡，表現出顯著優于傳統鈣誘導淀粉樣纖維凝膠的力學性能 —— 凝膠強度提升兩個數量級，且凝膠化時間大幅縮短，并具有 pH 響應性和自修復特性，為生物醫學應用提供了理想的材料選擇。

二、微流變技術的原理與優勢

瑞士LSI的Rheolab微流變技術，特別是擴散波光譜（DWS），作為動態光散射技術的延伸，能夠對高渾濁度樣品進行表征，通過測量散射光強的時間漲落，獲取體系中顆粒的運動信息，進而揭示材料的微觀結構與動態變化。相較于傳統的宏觀流變測試，其核心優勢在于：

• 可實現非侵入式測量

• 避免對凝膠網絡的破壞對微小尺度（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演變，提供實時的動力學信息。

三、微流變技術在凝膠研究中的具體應用

① 凝膠化過程的動態監測

研究通過 DWS 技術系統追蹤了 BLG 纖維與 CaNPs 混合體系的凝膠化進程。結果顯示，混合后 1 分 15 秒時，體系已呈現非遍歷行為，表明凝膠網絡開始形成；隨著時間延長（至 5 分鐘），這種特性進一步增強，標志著網絡結構的逐步*。

通過分析均方位移（MSD）曲線，可清晰區分凝膠化的兩個階段：

- 早期階段（15 秒）：顆粒表現出受限運動特征，短時間尺度內位移有限，長時間尺度下呈現類布朗運動，表明此時網絡結構松散，部分顆粒可自由擴散。

- 后期階段（9 分 15 秒）：MSD 曲線初始階段保持恒定，顯示彈性網絡的形成，隨后呈現超擴散行為，反映了凝膠網絡的穩定構建。

② 微觀結構與宏觀性能的關聯分析

借助 DWS 技術，研究揭示了 CaNPs 的尺寸（比表面積）和濃度對凝膠網絡形成的影響。結果表明：

具有較高比表面積（64 m²/g）的 CaNPs 因數量密度更高，能形成更致密的交聯網絡，顯著提升凝膠強度隨著 CaNPs 濃度增加，體系的凝膠化動力學進程加快，網絡結構完整性提高。

這些微觀層面的發現與宏觀流變測試結果（儲能模量 G' 的變化）高度一致，驗證了微流變技術在揭示結構 - 性能關系中的橋梁作用。

四、研究價值與應用前景

微流變技術的應用為深入理解雜化膠體凝膠的形成機制提供了關鍵的實驗依據。通過該技術，研究者不僅明確了 CaNPs 在凝膠網絡中的交聯作用，還建立了 CaNPs 尺寸、濃度與凝膠化動力學及力學性能的定量關系，為可控設計高性能膠體凝膠材料提供了指導。

在更廣泛的研究領域中，微流變技術為復雜膠體體系的表征提供了強有力的工具，尤其適用于生物基凝膠、納米復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進程。

五、總結

Rheolab微流變技術作為一種先進的表征手段，在 BLG-CaNPs 雜化膠體凝膠的研究中展現出獨特優勢，通過對凝膠化過程的實時監測和微觀結構的動態分析，深刻揭示了該新型材料體系的形成機制與性能調控規律。這一技術不僅為本次研究提供了關鍵數據支撐，更為膠體材料科學領域的研究方法創新提供了重要參考，推動了從微觀結構到宏觀性能的跨尺度研究范式的發展。

參考文獻

[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：擴散波光譜儀（光學法微流變）

型號：DWS RheoLab

品牌：LS Instruments

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