水凝膠是一類具有三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，關(guān)于這類的材料存在著多種不同的定義。一般來(lái)說(shuō)，研究比較廣泛的水凝膠材料不僅要具有交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還具有一定的親水性，結(jié)構(gòu)中含有大量水分，在以水為分散介質(zhì)的環(huán)境中能夠發(fā)生溶脹現(xiàn)象。這類水凝膠材料在生物、環(huán)境、傳感器等領(lǐng)域有著大量的研究成果。因此，我們將圍繞這類應(yīng)用對(duì)水凝膠材料的主要性能檢測(cè)評(píng)價(jià)方法做出簡(jiǎn)要的介紹。

上海保圣水凝膠性能測(cè)試儀可以測(cè)試水凝膠按照工藝不同衍生出合成水凝膠、半天然水凝膠、智能水凝膠、互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠和半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠等不同類別的性能，目前工程應(yīng)用的水凝膠通常是改性水凝膠。工程應(yīng)用對(duì)水凝膠的機(jī)械性能包括拉伸強(qiáng)度、彈性、黏性等性能方面提出了更高的要求，所以從水凝膠原料、交聯(lián)機(jī)制到合成路徑的改性，都要進(jìn)一步提高產(chǎn)品的機(jī)械與生物力學(xué)性能。使用水凝膠性能測(cè)試儀可以獲得水凝膠在壓縮和拉伸測(cè)試的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)樣品與方法不同，可以測(cè)試得出水凝膠產(chǎn)品的硬度、彈性、內(nèi)聚性、彈性模量、壓縮模量、斷裂應(yīng)變、斷裂應(yīng)力、回復(fù)率、應(yīng)變敏感度、黏性、抗疲勞性等不同指標(biāo)。

高分子材料的物理力學(xué)性能是一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。水凝膠的力學(xué)性能一般以楊氏模量（Young’s modulus）來(lái)表征。材料在彈性形變過(guò)程中，應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例關(guān)系就是楊氏模量，也被稱為彈性模量。目前測(cè)量楊氏模量的方法并不固定，主要有拉伸法，壓縮法和壓痕法等幾類[1]。拉伸法（Tensile test）最為原始也最為簡(jiǎn)單易行，對(duì)材料施加一定拉力并測(cè)量形變即可計(jì)算楊氏模量。該實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度、速度和濕度的條件下，利用對(duì)樣品施加沿縱軸方向的靜態(tài)拉伸負(fù)荷，直至樣品被拉斷。

壓縮測(cè)試

用于確定材料在施加斷裂載荷下的性能，通過(guò)使用壓盤(pán)或通用測(cè)試機(jī)上的專用工裝對(duì)試樣（一般為長(zhǎng)方體或圓柱幾何體）施加壓縮壓力得到應(yīng)力-應(yīng)變圖，用于確定彈性極限、比例極限、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和（對(duì)于某些材料）抗壓強(qiáng)度。從圖中選擇合適的應(yīng)變范圍，并對(duì)該區(qū)域內(nèi)曲線作斜率得到壓縮模量。圖1顯示了材料壓縮過(guò)程中的變化及應(yīng)力應(yīng)變曲線。

拉伸測(cè)試

指在承受軸向拉伸載荷下測(cè)定材料特性的試驗(yàn)方法。通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)力以及拉伸彈性模量等(如圖5)。而對(duì)于大多數(shù)水凝膠通常只直接發(fā)生脆性斷裂，無(wú)屈服過(guò)程。

斷裂測(cè)試

本質(zhì)上，水凝膠是易碎的，因?yàn)樗鼈兊暮看髸?huì)導(dǎo)致聚合物鏈的面密度降低。斷裂韌性Γc(裂紋擴(kuò)展單位面積所需的臨界能量(單位: Jm-2))的典型值估計(jì)約為10Jm-2(例如藻酸鹽凝膠)，比天然橡膠(~104 Jm-2)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而作為堅(jiān)韌水凝膠的一個(gè)代表性例子--雙網(wǎng)絡(luò)凝膠，其斷裂韌性顯著提高背后的關(guān)鍵機(jī)制是由于裂紋附近的犧牲網(wǎng)絡(luò)破裂而導(dǎo)致的能量耗散，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持凝膠的宏觀完整性。

剝離實(shí)驗(yàn)

與純剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)試類似，此處未變形的樣品幾何形狀由長(zhǎng)度L、高度2H和厚度b定義。然而，不同的是，此處試樣在裂紋端的兩個(gè)臂被夾緊并剝離。

檢測(cè)并調(diào)控水凝膠材料的力學(xué)性能是水凝膠發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。比如在細(xì)胞研究中，細(xì)胞的體外生長(zhǎng)需要借助細(xì)胞培養(yǎng)基底的作用，然而一般的基底材料如玻璃或塑料等，硬度過(guò)大，極大地影響了細(xì)胞的體外生長(zhǎng)行為。而水凝膠材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含水率高，力學(xué)環(huán)境與生物體更加接近，有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)。如Engler[3]等人利用彈性模量可調(diào)的凝膠系統(tǒng)作為基底研究間充質(zhì)干細(xì)胞的體外分化生長(zhǎng)過(guò)程。研究人員通過(guò)改變凝膠交聯(lián)度，調(diào)控基底的彈性模量，使之與生物體個(gè)組織器官如腦等的彈性模量接近，長(zhǎng)期的培養(yǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，基底彈性模量的改變會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞的不同分化。近年來(lái)，在靜態(tài)模擬組織力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，越來(lái)越多的研究關(guān)注到了力學(xué)性能動(dòng)態(tài)變化對(duì)細(xì)胞行為的影響。Wu[4]等人制備了具有可逆調(diào)節(jié)彈性模量特性的水凝膠，能夠更好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械性能的動(dòng)態(tài)變化，可以實(shí)時(shí)控制水凝膠內(nèi)細(xì)胞的遷移行為。