水凝膠是一類具有三維高分子網路結構的材料，關于這類的材料存在著多種不同的定義。通常來說，研究比較廣泛的水凝膠材料除了要具有交聯的網路結構，還具有一定的親水性，結構中富含大量水份，在以水為分散介質的環境中才能發生蠕變現象。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。為此，我們將圍繞這類應用對水凝膠材料的主要性能測量評價方式作出簡略的介紹。
1.熱學檢查
高分子材料的化學熱學性能是一項十分重要的性能指標。水凝膠的熱學性能通常以楊氏撓度（Young’s）來表征。材料在彈性形變過程中，撓度與應變之間的比列關系就是楊氏泊松比，也被稱為彈性泊松比。目前檢測楊氏撓度的方式并不固定，主要有拉伸法，壓縮法和壓痕法等幾類[1]。拉伸法（test）最為原始也最為簡單易行，對材料施加一定拉力并檢測形變即可估算楊氏泊松比。該實驗是在規定的實驗體溫、速度和溫度的條件下，借助對樣品施加沿橫軸方向的靜態拉伸負荷，直到樣品被扭斷，在此過程中可以得到樣品形變的撓度-應變曲線，其中撓度σ
σ=F/A，即單位橫截面積所受力；
應變ε
ε=Δl/l0，即材料拉伸形變厚度較之原長的程度；
通過撓度-應變曲線可以得到拉伸硬度、拉伸破裂撓度、拉伸屈服撓度以及拉伸彈性撓度等。對于水凝膠來說，彈性撓度是主要的熱學表征參數。按照胡克定律，物體在彈性限度內，撓度與應弄成反比，其比值即是彈性（楊氏）撓度E：
E=σ/ε；
彈性撓度的大小反映了材料的強度，彈性撓度越大，材料越不容易發生形變。但是采用這些技巧，水凝膠在拉伸過程中會喪失部份含水量，影響檢測結果，因而，有研究會采用將水凝膠放在水底進行檢測的方式來降低偏差。
圖1典型的撓度-應變曲線
水凝膠應用在細胞領域時，往往須要與其他硬性材料結合在一起使用，這樣一來利用拉伸法檢測彈性撓度都會遭到硬性材料表面的影響，未能確切檢測熱學參數。因而，研究人員借助壓縮撓度取代拉伸撓度來表征材料的彈性泊松比。檢測材料壓縮撓度的方式稱作壓縮法（test）。壓縮法是基于萬能試驗機等儀器，對柱狀樣品施加壓力，檢測樣品壓縮形變，得到撓度-應變圖。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泊松比。
圖2典型的熱學萬能試驗機
壓痕法（test）是由壓縮法發展而至的。當使用壓縮法檢測時，對于含水率較高的低彈性水凝膠來說，壓力會促使水凝膠失水而減小彈性泊松比。而借助壓痕法[2]，樣品只需發生特別微小的壓痕形變即可膠水的密度怎么計算，不會破壞樣品的自身含水量。壓痕法依照赫茲接觸（Hertz’s）理論來估算彈性撓度：
E=3(1-v2)f/(4R1/2l3/2)；
其中l為壓痕位移，f為壓力，v為模量，R為壓頭直徑。原子力顯微鏡（AFM）就是基于壓痕法發展下來的，其才能偵測到樣品極微小的形變，被覺得是目前檢測水凝膠熱學性能最為確切地方式之一。但是這類檢測對操作、硬件等要求很高，對于通常的水凝膠表征來說成本太過昂貴。
圖3基底彈性與細胞分化的關系[3]
檢查并調控水凝膠材料的熱學性能是水凝膠發展應用的關鍵問題。諸如在細胞研究中，細胞的體外生長須要利用細胞培養基底的作用，但是通常的基底材料如玻璃或塑膠等，強度過大，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，熱學環境與生物體愈加接近，有利于細胞的生長。如[3]等人借助彈性撓度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，調控基底的彈性泊松比，使之與生物體個組織臟器如腦等的彈性撓度接近，常年的培養觀察發覺，基底彈性撓度的改變會誘導細胞的不同分化。近些年來，在靜態模擬組織熱學性質的基礎上，越來越多的研究關注到了熱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撓度特點的水凝膠，才能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。
2.流變性檢查
流變學的主要內容是研究材料在外界條件下與時間相關的流動與變型。而高分子聚合貨運變學主要研究高分子堿液在流動狀態下的非線性黏彈行為，例如對于簡單流體的粘度檢測研究。水凝膠內部的互相作用是影響細胞生長或則抗生素釋放的關鍵誘因之一，而水凝膠內部結構的變化又與材料粘度等流變學性能密切相關。因而，對水凝膠進行流變學研究對新型水凝膠的設計和應用都提供了重要的支持。檢測流變性能的儀器稱為流變儀（），通過檢測材料的撓度應變響應能力來測量材料黏彈性等流變學參數。流變學中，水凝膠通常測試的參數不僅彈性撓度（G’）以外，就是黏性撓度（G’’）。彈性撓度表征材料的類固體行為，而粘性撓度是指當施加力移除后形變停止時，材料因形變而形成的熱量耗散，表征的是材料的類液體行為[5]膠水的密度怎么計算，因而稱作耗損撓度。通常而言，借助流變儀我們可以得到G’和G’’隨剪切撓度、時間、頻率等變化規律，通過這一變化規律，可以得到水凝膠的狀態等信息。
圖4流變學檢查N-異氰基丙烯丙酯水凝膠體系凝膠點[6]
通過比較G’和G’’的大小可以判定材料體系的固液狀態（當G’G’’時，體系近似于類固體膠體）。因而，借助流變學考察材料的溶膠-凝膠轉變過程就成為測試材料流變性能的主要應用。諸如Adrus[6]等人對N-異氰基丙烯丙酯水凝膠的凝膠點進行了測定。如圖4所示，當體系開始凝膠化時，G’和G’’大小相差無幾，也就是說在凝膠點處材料體系的彈性撓度和粘性撓度數值十分接近。，又比如張歡[7]等人對溫敏性的PEO-PPO-PEO三硅氧烷聚合物水凝膠在不同緩沖體系中的流變學行為（黏彈性）進行了研究。研究人員分別對材料溶膠狀態和凝膠狀態的粘度和泊松比等流變性能參數進行了測定，發覺了材料溶膠-凝膠轉變過程中的臨界現象和黏彈性標度指數，并對緩沖體系中脂類等添加物質對體系性能的影響進行了剖析闡述。
3.光學測量
圖5水凝膠薄膜的原位干涉檢測示意圖
光在不同介質中的折射反射可以形成薄膜干涉，產生等厚或則等傾的干涉白色。而在具有良好的透光性水凝膠體系中，在一定的基底上，水凝膠薄膜的長度和折射率才能影響反射光的質量。因而，研究中通常會借助光照射到均勻長度的薄膜上產生等傾干涉來闡明水凝膠長度及組分變化與光學性能的關系。如圖5所示，按照光的干涉原理，當波長已知的激光照射水凝膠薄膜時，經過水凝膠上下表面反射的兩束光被光電儀器接收并產生干涉白色，按照干涉白色即可估算得到薄膜的長度變化，而這樣一套形成激光和干涉白色圖象的儀器稱為干涉儀，其中邁克爾遜干涉儀是非常重要的光學檢測裝置。根據干涉白色，我們可以根據如下通常步驟估算材料長度變化：
首先，光線1與2抵達P點時的光程差變化δ為
δ=AB+BC-AD+λ/2，其中λ/2為半波損失的附加光程差；
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，當減小水凝膠薄膜長度時，會觀察到干涉白色的中心亮斑先變暗再變亮并在中心出現新的亮斑，若原先中心亮斑的級次為k，這么新的中心亮斑的級次為k+1，再者，因為是中心亮斑，折射角r=0，這么依據光的干涉亮斑滿足條件光程差δ為波長的整數倍，
δ=2n2d+λ/2=2n2d+λ/2=kλ；
所以每冒出一個亮斑時，薄膜長度變化Δd為，
Δd=λ/2n2；
因而，當入射光的波長恒定并已知，我們就才能依據干涉白色的硬度變化來觀察水凝膠的長度、表面粗糙度及內部組分變化。
圖6水凝膠吸收水汽及其長度變化測量裝置示意圖[8]
比如圖6所示，Tran等[8]人借助水凝膠的蠕變特點檢查了水凝膠薄膜在吸收水蒸汽后的容積（長度）變化。當薄膜吸收水分時，水凝膠形成蠕變，其長度發生改變，通過干涉儀接收干涉訊號的改變，可以估算觀測薄膜長度的變化。研究人員還在水凝膠表面共聚物了多種聚合物，通過改變水凝膠的親水性以及交聯密度，可以觀察不同特點的水凝膠薄膜在含有水蒸汽的環境中對水份的吸收及其相應的蠕變動力學變化。
圖7水凝膠干涉儀示意圖[9]
近些年來，借助傳統的光學測量手段，研究人員還制備了基于測量原理的材料元件在環境監測等領域開拓出新型應拿來。諸如，UCLA的賀曦敏[9]等人開發出了一種基于水凝膠的干涉儀及相關的干涉計量方式用于超靈敏物理測量。研究人員發覺和多數變色植物一樣，遭到外部剌激時水凝膠膜才能快速吸收剌激物而發生蠕變，致使膜厚或則內部結構變化。只需在帶有共聚物配體的高反射基底上旋涂制備一層水凝膠薄膜，按照薄膜干涉原理，光照射到水凝膠時，水凝膠長度變化造成某一波長的兩束出射光發生相長干涉或則相消干涉，從而提高（相長干涉）或則減小（相消干涉）該波長發光，因而宏觀上通過水凝膠長度改變可以得到波譜顏色的變化。將這一薄膜裝置放置在乙酸二氧化碳中，隨著乙酸二氧化碳被水凝膠吸收并在凝膠內部進行擴散，凝膠的折射率以及長度發生改變，通過干涉現象造成的顏色變化就可以測量二氧化碳含量的變化。
4.溶蝕度測量
高分子水凝膠是由網狀結構的聚合物和溶劑（通常為水）組成的，因而水凝膠在水底可呈現出明顯的蠕變現象，即水凝膠在吸收溶劑后自身容積減小而不至于溶化。在縮聚發生時，溶劑分子先步入凝膠網路結構與大分子產生溶劑化層并伴有容積收縮現象，然后溶劑分子持續滲透才大大降低結構容積。所謂縮聚率即是來評價這兩個過程的互相掣肘平衡的程度。如果干燥凝膠的質量為Wd，將凝膠在某一氣溫下曝曬，每隔一段時間稱重，直至縮聚平衡時的質量為Ws，則平衡縮聚率SR：
SR=(Ws-Wd)/Wd
圖8有機凝膠-水凝膠介孔體的抗蠕變性能[10]
通過這一方式還可以勾畫測定凝膠縮聚-消縮聚動力學，研究水凝膠在溶劑中的動態變化過程。借助蠕變的特點，水凝膠在抗生素釋放、重金屬離子吸附等領域都有廣泛的應用和研究。比如具有臨界溶化體溫的水凝膠材料在臨界氣溫上下較小的范圍內可以表現出明顯的容積降低和減少（如聚N-異氰基丙烯丙酯在臨界氣溫附近表現出高溫縮聚低溫收縮的特征），因而可以吸附溶劑中的離子或則控制抗生素的釋放行為。據悉，蠕變度的測量以及縮聚動力學研究才能幫助設計性能可控的水凝膠材料。工大劉明杰[10]等人就研發出了點蝕性能可控的凝膠材料。這些層狀材料是有機凝膠-水凝膠的介孔體。其中水凝膠具有優良的保水性，而有機凝膠則具有抗蠕變能力。通過共價鍵合的方法，介孔體將有機凝膠和水凝膠集成組裝在一起，整體上表現出外部疏水內部親水的特性，在組織工程和生物醫學元件方面均具有應用潛力。
參考文獻
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