background image

Viscoelastic Characterization
       of Agarose Gel Scaffolds

Viscoelastic Characterization
       of Agarose Gel Scaffolds

The Challenge:  
 

To Determine Viscoelastic Behavior of

 

 

 

 

 

Low Concentration Agarose Type VII Gel

Background

Agarose hydrogels are rapidly becoming a popular option for 

an implantable scaffold material due to their biocompatibility, 

native tissue-like viscoelastic mechanical properties and ease 

of casting into complex shapes and sizes.  Hydrogel implants 

have been used in applications where structural integrity is 

necessary, such as cartilage and skin.  With a key functional 

role of cartilage being force dampening, any potential 

substitute must be capable of sustaining high impact loading.  

This series of experiments uses the ElectroForce

®

 3200 test 

instrument to characterize the dynamic mechanical properties 

of agarose gels at high frequencies.

  

These mean amplitudes, as measured by stretch ratio, 

ranged from 0.99 to 0.70, where the stretch ratio, Î», is 

defined as Î»= 

/ L

0

,  where 

l

 is the loaded height and L

0

 

is the unloaded height.  The displacement amplitude was 

±0.5% of the unloaded height.

Figure 1 - 1% Agarose Modulus at λ = 0.9

The contribution to the complex modulus at lower frequencies 

is approximately equal, while the storage modulus dominates 

at higher frequencies.  This is an indication that less energy 

is dissipated at higher frequencies.

While this figure provides insight into the material behavior 

at Î» = 0.9, there is a wide range of other loading scenarios 

this material can experience.  Figures 2 and 3 quantify the 

material responses at different mean stretch ratios.  Tan 

delta, an indication of the phase shift between displacement 

and load, is shown for the 1% agarose gel.  There is a much 

larger phase shift at lower frequencies.  This effect can be 

understood in Figure 1 as the loss modulus does not greatly 

contribute to complex modulus at higher frequencies.  

Dr. Murakami and Dr. Sawae, lead researchers at the 

Kyushu Institute of Technology in Japan, were interested 

in investigating the mechanical behavior (dynamic modulus 

and tan delta) of low concentration agarose gels at high 

frequencies.To accomplish this, the ElectroForce 3200 test 

instrument, in combination with WinTest

®

 software, was used 

to perform DMA (Dynamic Mechanical Analysis) experiments 

at frequencies that ranged from 0.1 Hz to 100 Hz at different 

mean displacements.

Meeting the Challenge

1% and 2% (wt.) agarose gels were produced from agarose 

type VII powder (Sigma-Aldrich) using a standard gelling 

protocol supplied by Dr. Murakami.  Test specimens, cut 

from the bulk gels, were approximately 18 mm in diameter 

and 2.5 mm in height. 50 mm 

diameter solid platens were 

used to secure the sample.  

An ElectroForce 3200 test 

instrument equipped with a 

1000 g load cell was used in 

these experiments.  DMA was 

set up as a frequency sweep 

from 0.1 Hz to 100 Hz at a 

range of mean displacements.  

Materials and Methods

Results

The DMA software immediately produces usable results 

at the end of the experiments.  One example of this is the 

complex modulus shown in Figure 1.  As the frequency is 

increased, complex modulus asymptotically increases.  In 

addition, the software generates the two components: 

storage and loss modulus.  

 

background image

Bose Corporation â€“ ElectroForce Systems Group

10250 Valley View Road, Suite 113, Eden Prairie, Minnesota 55344 USA

Email:  electroforce@bose.com â€“ Website:  www.bose-electroforce.com

Phone:  952-278-3070 â€“ Fax:  952-278-3071

©2010 Bose Corporation.  Patent rights issued and/or pending in the United States and other countries.  

Bose, the Bose logo, ElectroForce and WinTest are registered trademarks of Bose Corporation.  032410

Figure 2 - 1% Agarose, Tan Delta at Different Mean λ 

Figure 3 - 1% Agarose, Modulus at Different Mean λ

Figure 4 - 2% Agarose, Tan Delta at Different Mean λ

Figure 5 - 2% Agarose, Modulus at a Different Mean λ

Figure 3, complex modulus at different Î», provides more 

insight into the material behavior.  It can also be seen that 

as the mean stretch ratio is decreased (i.e., the material is 

more compressed), the modulus of that material is significantly 

increased.  Analyzing this graph along with tan delta 

information from Figure 2 shows that the material behaves 

significantly differently depending upon pre-stretch.  As 

the stretch ratio is decreased, the contribution by the loss 

modulus to the complex modulus is substantially reduced.  

Therefore, as the material is initially more compressed, the 

behavior resembles a more purely elastic material. 

Similar results can be seen for the 2% agarose gel with 

different magnitudes.  Tan delta for the 2% agarose gel 

is less than 1% gels at lower frequencies (Figure 4).  

Additionally, the complex modulus of the 2% agarose gel, 

shown in Figure 5, is greater than the modulus for the 1% 

agarose gel.

Plotting this data in three dimensional space leads to further 

understanding of experimental results, as shown in Figure 6.  

This figure displays the complex modulus of a 1% agarose 

gel as a function of both the frequency and mean stretch 

ratio.  A surface can be fit to this data using mathematical 

models which would lead to predictive capabilities.  Similar 

graphs can be developed displaying tan delta as a function 

of both mean stretch ratio and frequency.  

Incorporating tan delta into the model would further 

strengthen the predictive capabilities of the model.  With 

this knowledge of material behavior, scaffold design 

parameters and clinical application of agarose gels can be 

understood prior to development.  

This series of experiments demonstrates that the 

ElectroForce

®

 3200 test instrument is capable of operating 

at the desired high frequencies while measuring small 

magnitude loads with accuracy and precision.  With a 

variety of options for load cells and platens, the 

ElectroForce 3200 is well suited for use in testing weak 

viscoelastic materials.

Figure 6 - 1% Agarose, Complex Modulus

Summary