水凝膠力學性能測試：壓縮、拉伸、斷裂、剝離

水凝膠是一類具有三維高分子網絡結構的材料，關于這類的材料存在著多種不同的定義。一般來說，研究比較廣泛的水凝膠材料不僅要具有交聯的網絡結構，還具有一定的親水性，結構中含有大量水分，在以水為分散介質的環境中能夠發生溶脹現象。這類水凝膠材料在生物、環境、傳感器等領域有著大量的研究成果。因此，我們將圍繞這類應用對水凝膠材料的主要性能檢測評價方法做出簡要的介紹。

上海保圣水凝膠性能測試儀可以測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、互穿網絡水凝膠和半互穿網絡水凝膠等不同類別的性能，目前工程應用的水凝膠通常是改性水凝膠。工程應用對水凝膠的機械性能包括拉伸強度、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、交聯機制到合成路徑的改性，都要進一步提高產品的機械與生物力學性能。使用水凝膠性能測試儀可以獲得水凝膠在壓縮和拉伸測試的相關參數，根據樣品與方法不同，可以測試得出水凝膠產品的硬度、彈性、內聚性、彈性模量、壓縮模量、斷裂應變、斷裂應力、回復率、應變敏感度、黏性、抗疲勞性等不同指標。

高分子材料的物理力學性能是一項非常重要的性能指標。水凝膠的力學性能一般以楊氏模量（Young’s modulus）來表征。材料在彈性形變過程中，應力與應變之間的比例關系就是楊氏模量，也被稱為彈性模量。目前測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）最為原始也最為簡單易行，對材料施加一定拉力并測量形變即可計算楊氏模量。該實驗是在規定的實驗溫度、速度和濕度的條件下，利用對樣品施加沿縱軸方向的靜態拉伸負荷，直至樣品被拉斷。

壓縮測試

用于確定材料在施加斷裂載荷下的性能，通過使用壓盤或通用測試機上的專用工裝對試樣（一般為長方體或圓柱幾何體）施加壓縮壓力得到應力-應變圖，用于確定彈性極限、比例極限、屈服點、屈服強度和（對于某些材料）抗壓強度。從圖中選擇合適的應變范圍，并對該區域內曲線作斜率得到壓縮模量。圖1顯示了材料壓縮過程中的變化及應力應變曲線。

拉伸測試

指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。通過應力-應變曲線可以得到拉伸強度、拉伸斷裂應力以及拉伸彈性模量等(如圖5)。而對于大多數水凝膠通常只直接發生脆性斷裂，無屈服過程。

斷裂測試

本質上，水凝膠是易碎的，因為它們的含水量大會導致聚合物鏈的面密度降低。斷裂韌性Γc(裂紋擴展單位面積所需的臨界能量(單位: Jm-2))的典型值估計約為10Jm-2(例如藻酸鹽凝膠)，比天然橡膠(~104 Jm-2)小幾個數量級。而作為堅韌水凝膠的一個代表性例子--雙網絡凝膠，其斷裂韌性顯著提高背后的關鍵機制是由于裂紋附近的犧牲網絡破裂而導致的能量耗散，而另一個網絡保持凝膠的宏觀完整性。

剝離實驗

與純剪切實驗測試類似，此處未變形的樣品幾何形狀由長度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臂被夾緊并剝離。

檢測并調控水凝膠材料的力學性能是水凝膠發展應用的關鍵問題。比如在細胞研究中，細胞的體外生長需要借助細胞培養基底的作用，然而一般的基底材料如玻璃或塑料等，硬度過大，極大地影響了細胞的體外生長行為。而水凝膠材料具有三維網狀結構，含水率高，力學環境與生物體更加接近，有利于細胞的生長。如Engler[3]等人利用彈性模量可調的凝膠系統作為基底研究間充質干細胞的體外分化生長過程。研究人員通過改變凝膠交聯度，調控基底的彈性模量，使之與生物體個組織器官如腦等的彈性模量接近，長期的培養觀察發現，基底彈性模量的改變會誘導細胞的不同分化。近年來，在靜態模擬組織力學性質的基礎上，越來越多的研究關注到了力學性能動態變化對細胞行為的影響。Wu[4]等人制備了具有可逆調節彈性模量特性的水凝膠，能夠更好地模擬細胞外基質機械性能的動態變化，可以實時控制水凝膠內細胞的遷移行為。