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Theses Year : 2021

Use of shear wave imaging to assess the mechanical and fracture behaviors of tough model gels

Utilisation de l'élastographie pour déterminer les propriétés mécaniques et de rupture de gels modèles

Abstract

A hydrogel is a soft material, largely swollen with water, made elastic via a network of polymer chains. A gel is inherently fragile. This brittleness can be overcome by adding dynamic sacrificial bonds. Macromolecular engineering of the 21st century has made possible the formulation of gels for use in biology in order to provide synthetic materials while addressing biocompatibility issues, tissue/material interface compatibility, and mechanical properties that the body requires. However, the fracture of these highly deformable and sometimes viscoelastic materials remains a poorly understood subject that has been little investigated experimentally. The challenge today is to better understand the mechanisms involved at the crack tip but the experimental techniques that allow a local approach and with fast acquisition rates are limited. Our work aims at developing an innovative method to probe the fracture of gels. Water being their main component, these materials, like biological tissues, are an excellent platform to study the propagation of acoustic waves, i.e. shear (S) or compression (P) waves. In materials composed mainly of water, compressional waves, typically ultrasound, propagate at about 1500 m/s (P-wave velocity in water) while shear waves are of the order of m/s (between about 1-8 m/s) and their velocity increases with the rigidity of the material. It is therefore possible to see the S waves propagating through the difference in speed between these two waves. This is the principle of shear wave elastography, an imaging technique used in this study to understand the mechanics and fracture of hydrogels.The gel fracture was studied locally at the crack tip in a quasi-static way. Then, the physical phenomena involved during crack propagation were investigated using ultrafast imaging.It is important to understand how the fracture propagates and if it is possible to avoid or stop it. The goal of any material is to avoid breaking and therefore to resist fracture propagation.
Un hydrogel est un matériau mou, largement gonflé d’eau, rendu élastique via un réseau de chaînes de polymère. Un gel est intrinsèquement fragile. On peut remédier à cette fragilité grâce à l’ajout de liaisons sacrificielles dynamiques. L’ingénierie macromoléculaire a permis au XXIème siècle de formuler des gels à destination de la biologie afin de proposer des matériaux de synthèse tout en remédiant aux problèmes de biocompatibilité, à la compatibilité des interfaces tissu/matériau et des propriétés mécaniques dont le corps a besoin. Pourtant, la fracture de ces matériaux hautement déformables et parfois viscoélastiques reste un sujet mal compris et assez peu investigué expérimentalement. Le défi aujourd’hui est de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu en pointe de fissure mais les techniques expérimentales qui permettent une approche locale et avec des cadences d’acquisition rapides sont limitées. Notre travail vise à développer une méthode innovante pour sonder la fracture des gels. L’eau étant leur principal composant, ces matériaux, comme les tissus biologiques, sont une excellente plateforme pour l’étude de la propagation d’ondes acoustiques, i.e. de cisaillement (S) ou de compression (P). Dans les matériaux composés principalement d’eau, les ondes de compression, typiquement les ultrasons, se propagent à environ 1500 m/s (vitesse des ondes P dans l’eau) alors que les ondes de cisaillement sont de l’ordre du m/s (entre environ 1-8 m/s) et leur vitesse augmente avec la rigidité du matériau. Il est donc possible de voir les ondes S se propager grâce à la différence de vitesse entre ces deux ondes. C’est le principe de l’élastographie par onde de cisaillement, technique d’imagerie utilisée dans cette étude pour comprendre la mécanique et la fracture des hydrogels.La fracture des gels a été étudiée localement en pointe de fissure de manière quasi-statique. Ensuite, les phénomènes physiques mis en jeu lors de la propagation d’une fissure ont été investigués grâce à l’imagerie ultrarapide.Il est important de comprendre comment la fracture se propage et s’il est possible de l’éviter ou de la stopper. Le but de tout matériel est d’éviter de casser et donc de résister à la propagation de fracture.
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Dates and versions

tel-03962403 , version 1 (30-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03962403 , version 1

Cite

Heiva Le Blay. Use of shear wave imaging to assess the mechanical and fracture behaviors of tough model gels. Material chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPSLS096⟩. ⟨tel-03962403⟩
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