Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự phồng lên của bình chứa hydrogel nhạy cảm pH dưới pH thay đổi kết hợp với sự phồng, kéo dài và xoắn
Tóm tắt
Hydrogel nhạy cảm pH là một loại polymer ưa nước độc đáo với những đặc tính thú vị có thể được khai thác cho các ứng dụng sáng tạo trong tương lai như giao thuốc và kỹ thuật mô. Để sử dụng hydrogel trong nhiều ứng dụng khác nhau, hành vi phồng lên của các vật liệu này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Trong nghiên cứu này, phản ứng cơ học khi phồng lên của các bình chứa áp suất được cấu thành từ hydrogel nhạy cảm pH được nghiên cứu trong phản hồi với sự thay đổi pH cũng như sự tải trọng kết hợp của áp suất, kéo dài và xoắn. Trong bối cảnh này, một giải pháp phân tích được đề xuất để kiểm tra vấn đề này, được sử dụng như một giao thức thí nghiệm chung để xác định và lập mô hình cho các vật liệu polymer. Đánh giá giải pháp phân tích, một nghiên cứu phần tử hữu hạn 3D đã được tiến hành cho cùng một vấn đề. Sự nhất quán của các kết quả trong cả phân tích FE và phương pháp được đề xuất xác nhận độ chính xác của phương pháp của chúng tôi. Tuy nhiên, xét về chi phí tính toán thấp hơn nhiều của các giải pháp phân tích so với FEM (< 1%), việc đề xuất giải pháp như vậy cho vấn đề phức tạp này là hết sức thú vị. Do đó, giải pháp phát triển có thể được sử dụng như một công cụ hữu ích cho việc hiệu chỉnh các tham số vật liệu, và kiểm tra hành vi phồng lên của hydrogel nhạy cảm pH dưới nhiều yếu tố khác nhau như tính chất cơ học, kích thước hình học, và các tham số tải trọng.
Từ khóa
#hydrogel nhạy cảm pH #sự phồng lên #bình chứa áp suất #tải trọng cơ học #phân tích phần tử hữu hạnTài liệu tham khảo
Shojaeifard M, Bayat MR, Baghani M (2019) Swelling-induced finite bending of functionally graded pH-responsive hydrogels: a semi-analytical method. Appl Math Mech. https://doi.org/10.1007/s10483-019-2478-6
Niroumandi S, Shojaeifard M, Baghani M (2021) Finite deformation of swollen pH-sensitive hydrogel cylinder under extension and torsion and its poynting effect: analytical solution and numerical verification. Int J Appl Mech 13(06):2150071
Shojaeifard M, Baghani M (2020) Finite deformation swelling of a temperature-sensitive hydrogel cylinder under combined extension-torsion. Appl Math Mech 41(3):409–424
Drozdov AD, Sommer-Larsen P (2016) Swelling of thermo-responsive gels under hydrostatic pressure. Meccanica 51(6):1419–1434
Shojaeifard M, Baghani M (2019) On the finite bending of functionally graded light-sensitive hydrogels. Meccanica 54(6):841–854
Doi M (2009) Gel dynamics. J Phys Soc Jpn 78(5):052001. https://doi.org/10.1143/JPSJ.78.052001
Shojaeifard M, Rouhani F, Baghani M (2019) A combined analytical–numerical analysis on multidirectional finite bending of functionally graded temperature-sensitive hydrogels. J Intell Mater Syst Struct. https://doi.org/10.1177/1045389X19849253
Ghaderi A, Morovati V, Dargazany R (2020) A physics-informed assembly of feed-forward neural network engines to predict inelasticity in cross-linked polymers. Polymers 12(11):2628
Siad L, Rahouadj R, Ganghoffer JF, do Nascimento RM, Bravetti P (2020) Void growth in swelled porous polymeric gels. Mech Soft Mater 2(1):1–16
Gharehnazifam Z, Dolatabadi R, Baniassadi M, Shahsavari H, Kajbafzadeh AM, Abrinia K, Baghani M (2021) Computational analysis of vincristine loaded silk fibroin hydrogel for sustained drug delivery applications: multiphysics modeling and experiments. Int J Pharm. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.121184
Bayat MR, Dolatabadi R, Baghani M (2020) Transient swelling response of pH-sensitive hydrogels: a monophasic constitutive model and numerical implementation. Int J Pharm. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119030
Baghani M, Dolatabadi R, Baniassadi M (2017) Developing a finite element beam theory for nanocomposite shape-memory polymers with application to sustained release of drugs. Scientia Iranica 24(1):249–259. https://doi.org/10.24200/sci.2017.4030
Shojaeifard M, Tahmasiyan S, Baghani M (2019) Swelling response of functionally graded temperature-sensitive hydrogel valves: analytic solution and finite element method. J Intell Mater Syst Struct. https://doi.org/10.1177/1045389X19891544
Niroumandi S, Shojaeifard M, Baghani M (2021) PH-sensitive hydrogel-based valves: a transient fully-coupled fluid-solid interaction study. J Intell Mater Syst Struct 33(1):196–209
Niroumandi S, Shojaeifard M, Baghani M (2021) On single and multiple pH-sensitive hydrogel micro-valves: a 3D transient fully coupled fluid-solid interaction study. Transp Porous Media. https://doi.org/10.1007/s11242-021-01625-y
Ionov L (2014) Hydrogel-based actuators: possibilities and limitations. Mater Today 17(10):494–503
Shojaeifard M, Niroumandi S, Baghani M (2022) Programming shape-shifting of flat bilayers composed of tough hydrogels under transient swelling. Acta Mech 233(1):213–232. https://doi.org/10.1007/s00707-021-03117-y
Flory PJ (1942) Thermodynamics of high polymer solutions. J Chem Phys 10(1):51–61. https://doi.org/10.1063/1.1723621
Marcombe R, Cai S, Hong W, Zhao X, Lapusta Y, Suo Z (2010) A theory of constrained swelling of a pH-sensitive hydrogel. Soft Matter 6(4):784–793
Mazaheri H, Baghani M, Naghdabadi R (2016) Inhomogeneous and homogeneous swelling behavior of temperature-sensitive poly-(N-isopropylacrylamide) hydrogels. J Intell Mater Syst Struct 27(3):324–336
Arbabi N, Baghani M, Abdolahi J, Mazaheri H, Mashhadi MM (2017) Finite bending of bilayer pH-responsive hydrogels: a novel analytic method and finite element analysis. Compos B Eng 110:116–123
Bacca M, McMeeking RM (2017) A viscoelastic constitutive law for hydrogels. Meccanica 52(14):3345–3355
Shojaeifard M, Niroumandi S, Baghani M (2022) Programmable self-folding of trilayer and bilayer-hinge structures by time-dependent swelling of tough hydrogels. J Intel Mater Syst Struc, 1045389X2210774. https://doi.org/10.1177/1045389X221077435
Dolatabadi R, Gharehnazifam Z, Moraffah F, Mohammadi A, Baghani M (2021) An electrodiffusion model coupled with fluid-flow effects for an on-chip electromembrane extraction system. Transp Porous Media. https://doi.org/10.1007/s11242-021-01643-w
Almasi A, Baghani M, Moallemi A (2017) Thermomechanical analysis of hyperelastic thick-walled cylindrical pressure vessels, analytical solutions and FEM. Int J Mech Sci 130:426–436
Sheikhi S, Shojaeifard M, Baghani M (2019) Finite bending and straightening of hyperelastic materials: analytical solution and FEM. Int J Appl Mech. https://doi.org/10.1142/S1758825119500844
Shojaeifard M, Sheikhi S, Baniassadi M, Baghani M (2020) On finite bending of visco-hyperelastic materials: a novel analytical solution and FEM. Acta Mech 231(8):3435–3450
Drozdov AD (2015) Equilibrium swelling of core–shell composite microgels. Meccanica 50(6):1579–1592
Bagheri A, Taghizadeh D, Darijani H (2016) On the behavior of rotating thick-walled cylinders made of hyperelastic materials. Meccanica 51(3):673–692
Patil A, DasGupta A (2015) Constrained inflation of a stretched hyperelastic membrane inside an elastic cone. Meccanica 50(6):1495–1508
Haussy B, Ganghoffer JF (2005) Instability analysis in pressurized transversely isotropic Saint-Venant–Kirchhoff and neo-Hookean cylindrical thick shells. Arch Appl Mech 74(9):600–617
Ghaderi A, Ghavanloo E, Fazelzadeh SA (2019) Reliability analysis of carbon nanotube-based nano-truss under various loading conditions. Iran J Sci Technol Trans Mech Eng 45(4):1123–1131
Shojaeifard M, Baghani M, Shahsavari H (2020) Rutting investigation of asphalt pavement subjected to moving cyclic loads: an implicit viscoelastic–viscoplastic–viscodamage FE framework. Int J Pavement Eng 21(11):1393–1407
Rivlin RS (1948) Large elastic deformations of isotropic materials. III. Some simple problems in cyclindrical polar co-ordinates. Philos Trans R Soc Lond Ser A Math Phys Sci 240(823):509–525
Humphrey JD, Barazotto RL Jr, Hunter WC (1992) Finite extension and torsion of papillary muscles: a theoretical framework. J Biomech 25(5):541–547
Holzapfel GA, Gasser TC, Ogden RW (2000) A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. J Elast Phys Sci Solids 61(1):1–48
Saravanan U, Rajagopal KR (2005) Inflation, extension, torsion and shearing of an inhomogeneous compressible elastic right circular annular cylinder. Math Mech Solids 10(6):603–650
Horgan CO, Murphy JG (2012) Finite extension and torsion of fiber-reinforced non-linearly elastic circular cylinders. Int J Non-Linear Mech 47(2):97–104
Valiollahi A, Shojaeifard M, Baghani M (2019) Closed form solutions for large deformation of cylinders under combined extension-torsion. Int J Mech Sci 157–158:336–347
Valiollahi A, Shojaeifard M, Baghani M (2019) Implementing stretch-based strain energy functions in large coupled axial and torsional deformations of functionally graded cylinder. Int J Appl Mech. https://doi.org/10.1142/S175882511950039X
Gandhi MV, Usman M, Wineman AS, Rajagopal KR (1989) Combined extension and torsion of a swollen cylinder within the context of mixture theory. Acta Mech 79(1–2):81–95
Mollica F, Larobina D, Ambrosio L (2012) Combined extension and torsion of a swollen cylinder in unsteady conditions for the mechanical characterization of a hydrogel: an application of the continuum theory of mixtures. Int J Eng Sci 57:90–101
Shojaeifard M, Dolatabadi R, Sheikhi S, Baghani M (2021) Coupled thermo-mechanical swelling of a thermo-responsive hydrogel hollow cylinder under extension-torsion: analytical solution and FEM. J Intell Mater Syst Struct 32(2):140–155
Shojaeifard M, Wang K, Baghani M (2020) Large deformation of hyperelastic thick-walled vessels under combined extension-torsion-pressure: analytical solution and FEM. Mech Based Des Struct Mach. https://doi.org/10.1080/15397734.2020.1826963
Hong W, Liu Z, Suo Z (2009) Inhomogeneous swelling of a gel in equilibrium with a solvent and mechanical load. Int J Solids Struct 46(17):3282–3289
Holzapfel AG (2000) Nonlinear solid mechanics. Wiley, New York
Kierzenka J, Shampine LF (2008) A BVP solver that controls residual and error. J Numer Anal Ind Appl Math 3(1–2):27–41
Hibbeler RC (1991) Mechanics of materials. Macmillan, London