水凝膠（Hydrogel）是一種由三維交聯(lián)高分子網絡構成的功能性軟材料，其最大特點是能夠吸收并保持大量水分（通常含水量超過80%），同時維持固態(tài)結構，兼具固體力學性能與液體滲透特性。 水凝膠其高含水量和力學性能（如彈性、粘彈性、自愈合性）使其在生物醫(yī)學、柔性電子等領域廣泛應用。力學測試是評估水凝膠性能的核心手段，以下是主要測試方法及技術要點：
1.壓縮測試
目的：測量彈性模量、抗壓強度、能量吸收能力。
適用場景：
仿生軟骨、組織工程支架的力學適配性評估。
可穿戴傳感器中水凝膠的耐壓穩(wěn)定性測試。
實驗方法：
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。
設備：凱爾測控原位拉壓力學試驗系統(tǒng)（如：IBTC-300SL），配備壓縮夾具。
測試條件：
o應變速率：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。
數據分析：
o彈性模量（E）：應力-應變曲線初始線性段的斜率（通常取0-10%應變）。
o抗壓強度（σ_max）：最大應力值。
o能量耗散：應力-應變曲線下面積。
挑戰(zhàn)與解決：
邊緣效應：使用潤滑劑（如凡士林）減少夾具與樣品的摩擦。
脫水影響：縮短測試時間或采用封閉式液體腔室。
2.拉伸測試
目的：評估斷裂伸長率、拉伸模量、韌性。
適用場景：
柔性電子器件中水凝膠導體的延展性驗證。
自愈合水凝膠的拉伸恢復性能測試。
實驗方法：
樣品制備：啞鈴型或條狀樣品（ASTMD412標準），厚度1-3mm。
設備：配備氣動或機械夾持的拉伸試驗機（凱爾測控IBTC-300SL）。
測試條件：
o夾持力：避免滑移但不過度擠壓（如0.1-0.5MPa）。
o應變速率：1-100mm/min。
數據分析：
o拉伸模量（E）：初始線性區(qū)斜率。
o斷裂伸長率（ε_b）：斷裂時的應變（可達1000%以上）。
o韌性（Toughness）：應力-應變曲線下總面積。
挑戰(zhàn)與解決：
夾持滑移：使用砂紙或鋸齒夾具增加摩擦力。
樣品斷裂點分散：統(tǒng)一制備條件（如交聯(lián)時間、溫度）。
3.動態(tài)力學分析（DMA）
目的：表征粘彈性行為（儲能模量G'、損耗模量G''、tanδ）。
適用場景：
水凝膠的溶脹-力學性能耦合分析。
溫度/頻率依賴性研究（如藥物控釋載體）。
實驗方法：
測試模式：壓縮、拉伸或剪切模式，常用頻率掃描（0.1-100Hz）。
設備：動態(tài)力學分析儀（如凱爾測控M-6000）。
關鍵參數：
o儲能模量（G'）：表征彈性響應。
o損耗模量（G''）：表征粘性響應。
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：預平衡至穩(wěn)定溶脹狀態(tài)后測試。
低頻數據噪聲：延長采樣時間或增加振幅。
4.剪切測試
目的：測量剪切模量、流動特性。
適用場景：
水凝膠作為生物粘合劑的剪切強度評估。
微流控芯片中水凝膠閥門的剪切響應測試。
實驗方法：
測試模式：平行板剪切、錐板剪切或扭轉剪切。
設備：流變儀。
數據分析：
o剪切模量（G）：應力與應變比值。
o屈服應力：材料開始流動的臨界應力。
5.循環(huán)加載-卸載測試
目的：評估能量耗散、滯后行為及自愈合性能。
適用場景：
自愈合水凝膠的恢復效率量化（如經過多次循環(huán)后的模量保留率）。
水凝膠減震材料的耐久性測試。
實驗方法：
加載條件：多周期壓縮/拉伸（如10次循環(huán)，應變50%）。
關鍵參數：
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：
人工關節(jié)軟骨替代材料的疲勞壽命預測。
可拉伸電子器件中水凝膠導體的循環(huán)穩(wěn)定性驗證。
實驗方法：
設備：高頻疲勞試驗機（如I凱爾測控M-12000）。
測試條件：
o載荷類型：正弦波、方波（頻率1-50Hz）。
o終止條件：預設循環(huán)次數（如10?次）或樣品斷裂。
7.原位力學-微觀結構聯(lián)用技術
技術組合：
原位拉伸/壓縮+光學顯微鏡：觀察裂紋擴展、孔洞演變。
DIC（數字圖像相關技術）：全場應變分布測量（如裂紋頂端應變集中）。
同步輻射X射線成像：三維內部結構動態(tài)演變（如孔洞合并）。
8.特殊力學性能測試
表面粘附力測試：90°剝離試驗評估水凝膠與組織的粘附強度。
穿刺強度測試：模擬注射針頭穿刺水凝膠敷料的阻力。
數據解析與標準化
標準化參考：
o生物材料：參考ISO527（塑料拉伸）、ASTMF2900（軟組織測試）。
o柔性材料：借鑒橡膠測試標準（ASTMD412）。
統(tǒng)計方法：
o至少5個平行樣品，報告均值±標準差。
o使用ANOVA分析不同配方間的顯著性差異。
