水凝膠是一類具有三維高分子網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的材料，關(guān)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(lián)的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，還具有一定的親水性，結(jié)構(gòu)中富含大量水份，在以水為分散介質(zhì)的環(huán)境中才能發(fā)生蠕變現(xiàn)象。這類水凝膠材料在生物、環(huán)境、傳感器等領(lǐng)域有著大量的研究成果。為此，我們將圍繞這類應(yīng)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(xué)檢查
高分子材料的化學(xué)熱學(xué)性能是一項(xiàng)十分重要的性能指標(biāo)。水凝膠的熱學(xué)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(yīng)變之間的比列關(guān)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(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)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(tài)拉伸負(fù)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(yīng)變曲線，其中撓度σ
σ=F/A，即單位橫截面積所受力；
應(yīng)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(yīng)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(xué)表征參數(shù)。按照胡克定律，物體在彈性限度內(nèi)，撓度與應(yīng)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(qiáng)度，彈性撓度越大，材料越不容易發(fā)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(jié)果，因而，有研究會采用將水凝膠放在水底進(jìn)行檢測的方式來降低偏差。
圖1典型的撓度-應(yīng)變曲線
水凝膠應(yīng)用在細(xì)胞領(lǐng)域時，往往須要與其他硬性材料結(jié)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(xué)參數(shù)。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(yàn)機(jī)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(yīng)變圖。從圖中選擇合適的應(yīng)變范圍，并對該區(qū)域內(nèi)曲線作斜率得到壓縮泊松比。
圖2典型的熱學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)
壓痕法（test）是由壓縮法發(fā)展而至的。當(dāng)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(fā)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(wèi)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(fā)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(xué)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(xì)胞分化的關(guān)系[3]
檢查并調(diào)控水凝膠材料的熱學(xué)性能是水凝膠發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵問題。諸如在細(xì)胞研究中，細(xì)胞的體外生長須要利用細(xì)胞培養(yǎng)基底的作用，但是通常的基底材料如玻璃或塑膠等，強(qiáng)度過大，極大地影響了細(xì)胞的體外生長行為。而水凝膠材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含水率高，熱學(xué)環(huán)境與生物體愈加接近，有利于細(xì)胞的生長。如[3]等人借助彈性撓度可調(diào)的凝膠系統(tǒng)作為基底研究間充質(zhì)干細(xì)胞的體外分化生長過程。研究人員通過改變凝膠交聯(lián)度，調(diào)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(yǎng)觀察發(fā)覺，基底彈性撓度的改變會誘導(dǎo)細(xì)胞的不同分化。近些年來，在靜態(tài)模擬組織熱學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，越來越多的研究關(guān)注到了熱學(xué)性能動態(tài)變化對細(xì)胞行為的影響。Wu[4]等人制備了具有可逆調(diào)節(jié)彈性撓度特點(diǎn)的水凝膠，才能更好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械性能的動態(tài)變化，可以實(shí)時控制水凝膠內(nèi)細(xì)胞的遷移行為。
2.流變性檢查
流變學(xué)的主要內(nèi)容是研究材料在外界條件下與時間相關(guān)的流動與變型。而高分子聚合貨運(yùn)變學(xué)主要研究高分子堿液在流動狀態(tài)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(nèi)部的互相作用是影響細(xì)胞生長或則抗生素釋放的關(guān)鍵誘因之一，而水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化又與材料粘度等流變學(xué)性能密切相關(guān)。因而，對水凝膠進(jìn)行流變學(xué)研究對新型水凝膠的設(shè)計和應(yīng)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(yīng)變響應(yīng)能力來測量材料黏彈性等流變學(xué)參數(shù)。流變學(xué)中，水凝膠通常測試的參數(shù)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(dāng)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(guī)律，通過這一變化規(guī)律，可以得到水凝膠的狀態(tài)等信息。
圖4流變學(xué)檢查N-異氰基丙烯丙酯水凝膠體系凝膠點(diǎn)[6]
通過比較G’和G’’的大小可以判定材料體系的固液狀態(tài)（當(dāng)G’G’’時，體系近似于類固體膠體）。因而，借助流變學(xué)考察材料的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程就成為測試材料流變性能的主要應(yīng)用。諸如Adrus[6]等人對N-異氰基丙烯丙酯水凝膠的凝膠點(diǎn)進(jìn)行了測定。如圖4所示，當(dāng)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(diǎn)處材料體系的彈性撓度和粘性撓度數(shù)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(xué)行為（黏彈性）進(jìn)行了研究。研究人員分別對材料溶膠狀態(tài)和凝膠狀態(tài)的粘度和泊松比等流變性能參數(shù)進(jìn)行了測定，發(fā)覺了材料溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中的臨界現(xiàn)象和黏彈性標(biāo)度指數(shù)，并對緩沖體系中脂類等添加物質(zhì)對體系性能的影響進(jìn)行了剖析闡述。
3.光學(xué)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(zhì)中的折射反射可以形成薄膜干涉，產(chǎn)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(zhì)量。因而，研究中通常會借助光照射到均勻長度的薄膜上產(chǎn)生等傾干涉來闡明水凝膠長度及組分變化與光學(xué)性能的關(guān)系。如圖5所示，按照光的干涉原理，當(dāng)波長已知的激光照射水凝膠薄膜時，經(jīng)過水凝膠上下表面反射的兩束光被光電儀器接收并產(chǎn)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(xué)檢測裝置。根據(jù)干涉白色，我們可以根據(jù)如下通常步驟估算材料長度變化：
首先，光線1與2抵達(dá)P點(diǎn)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(dāng)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(xiàn)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?yàn)槭侵行牧涟撸凵浣莚=0，這么依據(jù)光的干涉亮斑滿足條件光程差δ為波長的整數(shù)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(dāng)入射光的波長恒定并已知，我們就才能依據(jù)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(nèi)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(diǎn)檢查了水凝膠薄膜在吸收水蒸汽后的容積（長度）變化。當(dāng)薄膜吸收水分時，水凝膠形成蠕變，其長度發(fā)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(lián)密度，可以觀察不同特點(diǎn)的水凝膠薄膜在含有水蒸汽的環(huán)境中對水份的吸收及其相應(yīng)的蠕變動力學(xué)變化。
圖7水凝膠干涉儀示意圖[9]
近些年來，借助傳統(tǒng)的光學(xué)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(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域開拓出新型應(yīng)拿來。諸如，UCLA的賀曦敏[9]等人開發(fā)出了一種基于水凝膠的干涉儀及相關(guān)的干涉計量方式用于超靈敏物理測量。研究人員發(fā)覺和多數(shù)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(fā)生蠕變，致使膜厚或則內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)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(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，凝膠的折射率以及長度發(fā)生改變，通過干涉現(xiàn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(xiàn)出明顯的蠕變現(xiàn)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(fā)生時，溶劑分子先步入凝膠網(wǎng)路結(jié)構(gòu)與大分子產(chǎn)生溶劑化層并伴有容積收縮現(xiàn)象，然后溶劑分子持續(xù)滲透才大大降低結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)量為Ws，則平衡縮聚率SR：
SR=(Ws-Wd)/Wd
圖8有機(jī)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(xué)，研究水凝膠在溶劑中的動態(tài)變化過程。借助蠕變的特點(diǎn)，水凝膠在抗生素釋放、重金屬離子吸附等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)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(nèi)可以表現(xiàn)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(xiàn)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(jù)悉，蠕變度的測量以及縮聚動力學(xué)研究才能幫助設(shè)計性能可控的水凝膠材料。工大劉明杰[10]等人就研發(fā)出了點(diǎn)蝕性能可控的凝膠材料。這些層狀材料是有機(jī)凝膠-水凝膠的介孔體。其中水凝膠具有優(yōu)良的保水性，而有機(jī)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(jī)凝膠和水凝膠集成組裝在一起，整體上表現(xiàn)出外部疏水內(nèi)部親水的特性，在組織工程和生物醫(yī)學(xué)元件方面均具有應(yīng)用潛力。
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