水凝胶是一类具有三维高分子网路结构的材料，关于这类的材料存在着多种不同的定义。通常来说，研究比较广泛的水凝胶材料除了要具有交联的网路结构，还具有一定的亲水性，结构中富含大量水份，在以水为分散介质的环境中才能发生蠕变现象。这类水凝胶材料在生物、环境、传感器等领域有着大量的研究成果。为此，我们将围绕这类应用对水凝胶材料的主要性能测量评价方式作出简略的介绍。
1.热学检查
高分子材料的化学热学性能是一项十分重要的性能指标。水凝胶的热学性能通常以杨氏挠度（Young’s）来表征。材料在弹性形变过程中，挠度与应变之间的比列关系就是杨氏泊松比，也被称为弹性泊松比。目前检测杨氏挠度的方式并不固定，主要有拉伸法，压缩法和压痕法等几类[1]。拉伸法（test）最为原始也最为简单易行，对材料施加一定拉力并检测形变即可估算杨氏泊松比。该实验是在规定的实验体温、速度和温度的条件下，借助对样品施加沿横轴方向的静态拉伸负荷，直到样品被扭断，在此过程中可以得到样品形变的挠度-应变曲线，其中挠度σ
σ=F/A，即单位横截面积所受力；
应变ε
ε=Δl/l0，即材料拉伸形变厚度较之原长的程度；
通过挠度-应变曲线可以得到拉伸硬度、拉伸破裂挠度、拉伸屈服挠度以及拉伸弹性挠度等。对于水凝胶来说，弹性挠度是主要的热学表征参数。按照胡克定律，物体在弹性限度内，挠度与应弄成反比，其比值即是弹性（杨氏）挠度E：
E=σ/ε；
弹性挠度的大小反映了材料的强度，弹性挠度越大，材料越不容易发生形变。但是采用这些技巧，水凝胶在拉伸过程中会丧失部份含水量，影响检测结果，因而，有研究会采用将水凝胶放在水底进行检测的方式来降低偏差。
图1典型的挠度-应变曲线
水凝胶应用在细胞领域时，往往须要与其他硬性材料结合在一起使用，这样一来利用拉伸法检测弹性挠度都会遭到硬性材料表面的影响，未能确切检测热学参数。因而，研究人员借助压缩挠度取代拉伸挠度来表征材料的弹性泊松比。检测材料压缩挠度的方式称作压缩法（test）。压缩法是基于万能试验机等仪器，对柱状样品施加压力，检测样品压缩形变，得到挠度-应变图。从图中选择合适的应变范围，并对该区域内曲线作斜率得到压缩泊松比。
图2典型的热学万能试验机
压痕法（test）是由压缩法发展而至的。当使用压缩法检测时，对于含水率较高的低弹性水凝胶来说，压力会促使水凝胶失水而减小弹性泊松比。而借助压痕法[2]，样品只需发生特别微小的压痕形变即可胶水的密度怎么计算，不会破坏样品的自身含水量。压痕法依照赫兹接触（Hertz’s）理论来估算弹性挠度：
E=3(1-v2)f/(4R1/2l3/2)；
其中l为压痕位移，f为压力，v为模量，R为压头直径。原子力显微镜（AFM）就是基于压痕法发展下来的，其才能侦测到样品极微小的形变，被觉得是目前检测水凝胶热学性能最为确切地方式之一。但是这类检测对操作、硬件等要求很高，对于通常的水凝胶表征来说成本太过昂贵。
图3基底弹性与细胞分化的关系[3]
检查并调控水凝胶材料的热学性能是水凝胶发展应用的关键问题。诸如在细胞研究中，细胞的体外生长须要利用细胞培养基底的作用，但是通常的基底材料如玻璃或塑胶等，强度过大，极大地影响了细胞的体外生长行为。而水凝胶材料具有三维网状结构，含水率高，热学环境与生物体愈加接近，有利于细胞的生长。如[3]等人借助弹性挠度可调的凝胶系统作为基底研究间充质干细胞的体外分化生长过程。研究人员通过改变凝胶交联度，调控基底的弹性泊松比，使之与生物体个组织脏器如脑等的弹性挠度接近，常年的培养观察发觉，基底弹性挠度的改变会诱导细胞的不同分化。近些年来，在静态模拟组织热学性质的基础上，越来越多的研究关注到了热学性能动态变化对细胞行为的影响。Wu[4]等人制备了具有可逆调节弹性挠度特点的水凝胶，才能更好地模拟细胞外基质机械性能的动态变化，可以实时控制水凝胶内细胞的迁移行为。
2.流变性检查
流变学的主要内容是研究材料在外界条件下与时间相关的流动与变型。而高分子聚合货运变学主要研究高分子碱液在流动状态下的非线性黏弹行为，例如对于简单流体的粘度检测研究。水凝胶内部的互相作用是影响细胞生长或则抗生素释放的关键诱因之一，而水凝胶内部结构的变化又与材料粘度等流变学性能密切相关。因而，对水凝胶进行流变学研究对新型水凝胶的设计和应用都提供了重要的支持。检测流变性能的仪器称为流变仪（），通过检测材料的挠度应变响应能力来测量材料黏弹性等流变学参数。流变学中，水凝胶通常测试的参数不仅弹性挠度（G’）以外，就是黏性挠度（G’’）。弹性挠度表征材料的类固体行为，而粘性挠度是指当施加力移除后形变停止时，材料因形变而形成的热量耗散，表征的是材料的类液体行为[5]胶水的密度怎么计算，因而称作耗损挠度。通常而言，借助流变仪我们可以得到G’和G’’随剪切挠度、时间、频率等变化规律，通过这一变化规律，可以得到水凝胶的状态等信息。
图4流变学检查N-异氰基丙烯丙酯水凝胶体系凝胶点[6]
通过比较G’和G’’的大小可以判定材料体系的固液状态（当G’G’’时，体系近似于类固体胶体）。因而，借助流变学考察材料的溶胶-凝胶转变过程就成为测试材料流变性能的主要应用。诸如Adrus[6]等人对N-异氰基丙烯丙酯水凝胶的凝胶点进行了测定。如图4所示，当体系开始凝胶化时，G’和G’’大小相差无几，也就是说在凝胶点处材料体系的弹性挠度和粘性挠度数值十分接近。，又比如张欢[7]等人对温敏性的PEO-PPO-PEO三硅氧烷聚合物水凝胶在不同缓冲体系中的流变学行为（黏弹性）进行了研究。研究人员分别对材料溶胶状态和凝胶状态的粘度和泊松比等流变性能参数进行了测定，发觉了材料溶胶-凝胶转变过程中的临界现象和黏弹性标度指数，并对缓冲体系中脂类等添加物质对体系性能的影响进行了剖析阐述。
3.光学测量
图5水凝胶薄膜的原位干涉检测示意图
光在不同介质中的折射反射可以形成薄膜干涉，产生等厚或则等倾的干涉白色。而在具有良好的透光性水凝胶体系中，在一定的基底上，水凝胶薄膜的长度和折射率才能影响反射光的质量。因而，研究中通常会借助光照射到均匀长度的薄膜上产生等倾干涉来阐明水凝胶长度及组分变化与光学性能的关系。如图5所示，按照光的干涉原理，当波长已知的激光照射水凝胶薄膜时，经过水凝胶上下表面反射的两束光被光电仪器接收并产生干涉白色，按照干涉白色即可估算得到薄膜的长度变化，而这样一套形成激光和干涉白色图象的仪器称为干涉仪，其中迈克尔逊干涉仪是非常重要的光学检测装置。根据干涉白色，我们可以根据如下通常步骤估算材料长度变化：
首先，光线1与2抵达P点时的光程差变化δ为
δ=AB+BC-AD+λ/2，其中λ/2为半波损失的附加光程差；
由折射定理可知：
以及，
AB=BC=d/,AD=AC=2d
于是，
δ=22AB-n1AD+λ/2=2d+λ/2
按照上式，当减小水凝胶薄膜长度时，会观察到干涉白色的中心亮斑先变暗再变亮并在中心出现新的亮斑，若原先中心亮斑的级次为k，这么新的中心亮斑的级次为k+1，再者，因为是中心亮斑，折射角r=0，这么依据光的干涉亮斑满足条件光程差δ为波长的整数倍，
δ=2n2d+λ/2=2n2d+λ/2=kλ；
所以每冒出一个亮斑时，薄膜长度变化Δd为，
Δd=λ/2n2；
因而，当入射光的波长恒定并已知，我们就才能依据干涉白色的硬度变化来观察水凝胶的长度、表面粗糙度及内部组分变化。
图6水凝胶吸收水汽及其长度变化测量装置示意图[8]
比如图6所示，Tran等[8]人借助水凝胶的蠕变特点检查了水凝胶薄膜在吸收水蒸汽后的容积（长度）变化。当薄膜吸收水分时，水凝胶形成蠕变，其长度发生改变，通过干涉仪接收干涉讯号的改变，可以估算观测薄膜长度的变化。研究人员还在水凝胶表面共聚物了多种聚合物，通过改变水凝胶的亲水性以及交联密度，可以观察不同特点的水凝胶薄膜在含有水蒸汽的环境中对水份的吸收及其相应的蠕变动力学变化。
图7水凝胶干涉仪示意图[9]
近些年来，借助传统的光学测量手段，研究人员还制备了基于测量原理的材料元件在环境监测等领域开拓出新型应拿来。诸如，UCLA的贺曦敏[9]等人开发出了一种基于水凝胶的干涉仪及相关的干涉计量方式用于超灵敏物理测量。研究人员发觉和多数变色植物一样，遭到外部剌激时水凝胶膜才能快速吸收剌激物而发生蠕变，致使膜厚或则内部结构变化。只需在带有共聚物配体的高反射基底上旋涂制备一层水凝胶薄膜，按照薄膜干涉原理，光照射到水凝胶时，水凝胶长度变化造成某一波长的两束出射光发生相长干涉或则相消干涉，从而提高（相长干涉）或则减小（相消干涉）该波长发光，因而宏观上通过水凝胶长度改变可以得到波谱颜色的变化。将这一薄膜装置放置在乙酸二氧化碳中，随着乙酸二氧化碳被水凝胶吸收并在凝胶内部进行扩散，凝胶的折射率以及长度发生改变，通过干涉现象造成的颜色变化就可以测量二氧化碳含量的变化。
4.溶蚀度测量
高分子水凝胶是由网状结构的聚合物和溶剂（通常为水）组成的，因而水凝胶在水底可呈现出明显的蠕变现象，即水凝胶在吸收溶剂后自身容积减小而不至于溶化。在缩聚发生时，溶剂分子先步入凝胶网路结构与大分子产生溶剂化层并伴有容积收缩现象，然后溶剂分子持续渗透才大大降低结构容积。所谓缩聚率即是来评价这两个过程的互相掣肘平衡的程度。如果干燥凝胶的质量为Wd，将凝胶在某一气温下曝晒，每隔一段时间称重，直至缩聚平衡时的质量为Ws，则平衡缩聚率SR：
SR=(Ws-Wd)/Wd
图8有机凝胶-水凝胶介孔体的抗蠕变性能[10]
通过这一方式还可以勾画测定凝胶缩聚-消缩聚动力学，研究水凝胶在溶剂中的动态变化过程。借助蠕变的特点，水凝胶在抗生素释放、重金属离子吸附等领域都有广泛的应用和研究。比如具有临界溶化体温的水凝胶材料在临界气温上下较小的范围内可以表现出明显的容积降低和减少（如聚N-异氰基丙烯丙酯在临界气温附近表现出高温缩聚低温收缩的特征），因而可以吸附溶剂中的离子或则控制抗生素的释放行为。据悉，蠕变度的测量以及缩聚动力学研究才能帮助设计性能可控的水凝胶材料。工大刘明杰[10]等人就研发出了点蚀性能可控的凝胶材料。这些层状材料是有机凝胶-水凝胶的介孔体。其中水凝胶具有优良的保水性，而有机凝胶则具有抗蠕变能力。通过共价键合的方法，介孔体将有机凝胶和水凝胶集成组装在一起，整体上表现出外部疏水内部亲水的特性，在组织工程和生物医学元件方面均具有应用潜力。
参考文献
1.陈厚等.高分子材料剖析测试与研究方式.物理工业出版社,2011.
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6.N.Adrus,M..onviainsituandon.and,2013,73:141-148.
7.张欢.合成水凝胶流变学性能及相关生物材料的基础研究.清华学院博士学位论文.
8.,B.,etal.of-ThinFilmsFlows.,2018,34,15238-15244.
9.fú,M.Sun,R.Bai,etal.forand.Adv.Mater.2018,30,.
10.Zhao,G.Wang,D.Hao,etal.–and.Adv.Funct.Mater.2018,28,.
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