水凝膠（Hydrogel）是一種由三維交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的功能性軟材料，其最大特點(diǎn)是能夠吸收并保持大量水分（通常含水量超過80%），同時(shí)維持固態(tài)結(jié)構(gòu)，兼具固體力學(xué)性能與液體滲透特性。 水凝膠其高含水量和力學(xué)性能（如彈性、粘彈性、自愈合性）使其在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。力學(xué)測(cè)試是評(píng)估水凝膠性能的核心手段，以下是主要測(cè)試方法及技術(shù)要點(diǎn)：
1.壓縮測(cè)試
目的：測(cè)量彈性模量、抗壓強(qiáng)度、能量吸收能力。
適用場景：
仿生軟骨、組織工程支架的力學(xué)適配性評(píng)估。
可穿戴傳感器中水凝膠的耐壓穩(wěn)定性測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)方法：
樣品制備：圓柱形或立方體樣品（直徑5-10mm，高度3-5mm），確保表面平整。
設(shè)備：凱爾測(cè)控原位拉壓力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（如：IBTC-300SL），配備壓縮夾具。
測(cè)試條件：
o應(yīng)變速率：通常0.1-10mm/min（模擬生理載荷速率）。
o環(huán)境控制：浸入PBS溶液或覆蓋水膜以防脫水。
數(shù)據(jù)分析：
o彈性模量（E）：應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始線性段的斜率（通常取0-10%應(yīng)變）。
o抗壓強(qiáng)度（σ_max）：最大應(yīng)力值。
o能量耗散：應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面積。
挑戰(zhàn)與解決：
邊緣效應(yīng)：使用潤滑劑（如凡士林）減少夾具與樣品的摩擦。
脫水影響：縮短測(cè)試時(shí)間或采用封閉式液體腔室。
2.拉伸測(cè)試
目的：評(píng)估斷裂伸長率、拉伸模量、韌性。
適用場景：
柔性電子器件中水凝膠導(dǎo)體的延展性驗(yàn)證。
自愈合水凝膠的拉伸恢復(fù)性能測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)方法：
樣品制備：啞鈴型或條狀樣品（ASTMD412標(biāo)準(zhǔn)），厚度1-3mm。
設(shè)備：配備氣動(dòng)或機(jī)械夾持的拉伸試驗(yàn)機(jī)（凱爾測(cè)控IBTC-300SL）。
測(cè)試條件：
o夾持力：避免滑移但不過度擠壓（如0.1-0.5MPa）。
o應(yīng)變速率：1-100mm/min。
數(shù)據(jù)分析：
o拉伸模量（E）：初始線性區(qū)斜率。
o斷裂伸長率（ε_b）：斷裂時(shí)的應(yīng)變（可達(dá)1000%以上）。
o韌性（Toughness）：應(yīng)力-應(yīng)變曲線下總面積。
挑戰(zhàn)與解決：
夾持滑移：使用砂紙或鋸齒夾具增加摩擦力。
樣品斷裂點(diǎn)分散：統(tǒng)一制備條件（如交聯(lián)時(shí)間、溫度）。
3.動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）
目的：表征粘彈性行為（儲(chǔ)能模量G'、損耗模量G''、tanδ）。
適用場景：
水凝膠的溶脹-力學(xué)性能耦合分析。
溫度/頻率依賴性研究（如藥物控釋載體）。
實(shí)驗(yàn)方法：
測(cè)試模式：壓縮、拉伸或剪切模式，常用頻率掃描（0.1-100Hz）。
設(shè)備：動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（如凱爾測(cè)控M-6000）。
關(guān)鍵參數(shù)：
o儲(chǔ)能模量（G'）：表征彈性響應(yīng)。
o損耗模量（G''）：表征粘性響應(yīng)。
o損耗因子（tanδ=G''/G'）：判斷材料以彈性或粘性為主。
挑戰(zhàn)與解決：
樣品溶脹干擾：預(yù)平衡至穩(wěn)定溶脹狀態(tài)后測(cè)試。
低頻數(shù)據(jù)噪聲：延長采樣時(shí)間或增加振幅。
4.剪切測(cè)試
目的：測(cè)量剪切模量、流動(dòng)特性。
適用場景：
水凝膠作為生物粘合劑的剪切強(qiáng)度評(píng)估。
微流控芯片中水凝膠閥門的剪切響應(yīng)測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)方法：
測(cè)試模式：平行板剪切、錐板剪切或扭轉(zhuǎn)剪切。
設(shè)備：流變儀。
數(shù)據(jù)分析：
o剪切模量（G）：應(yīng)力與應(yīng)變比值。
o屈服應(yīng)力：材料開始流動(dòng)的臨界應(yīng)力。
5.循環(huán)加載-卸載測(cè)試
目的：評(píng)估能量耗散、滯后行為及自愈合性能。
適用場景：
自愈合水凝膠的恢復(fù)效率量化（如經(jīng)過多次循環(huán)后的模量保留率）。
水凝膠減震材料的耐久性測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)方法：
加載條件：多周期壓縮/拉伸（如10次循環(huán)，應(yīng)變50%）。
關(guān)鍵參數(shù)：
o滯后環(huán)面積：單次循環(huán)的能量耗散。
o模量衰減率：比較首末次循環(huán)的模量變化。
6.疲勞測(cè)試
目的：研究長期循環(huán)載荷下的性能退化。
適用場景：
人工關(guān)節(jié)軟骨替代材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)。
可拉伸電子器件中水凝膠導(dǎo)體的循環(huán)穩(wěn)定性驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)方法：
設(shè)備：高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（如I凱爾測(cè)控M-12000）。
測(cè)試條件：
o載荷類型：正弦波、方波（頻率1-50Hz）。
o終止條件：預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)（如10?次）或樣品斷裂。
7.原位力學(xué)-微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)用技術(shù)
技術(shù)組合：
原位拉伸/壓縮+光學(xué)顯微鏡：觀察裂紋擴(kuò)展、孔洞演變。
DIC（數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)）：全場應(yīng)變分布測(cè)量（如裂紋頂端應(yīng)變集中）。
同步輻射X射線成像：三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變（如孔洞合并）。
8.特殊力學(xué)性能測(cè)試
表面粘附力測(cè)試：90°剝離試驗(yàn)評(píng)估水凝膠與組織的粘附強(qiáng)度。
穿刺強(qiáng)度測(cè)試：模擬注射針頭穿刺水凝膠敷料的阻力。
數(shù)據(jù)解析與標(biāo)準(zhǔn)化
標(biāo)準(zhǔn)化參考：
o生物材料：參考ISO527（塑料拉伸）、ASTMF2900（軟組織測(cè)試）。
o柔性材料：借鑒橡膠測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ASTMD412）。
統(tǒng)計(jì)方法：
o至少5個(gè)平行樣品，報(bào)告均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
o使用ANOVA分析不同配方間的顯著性差異。
