基于应用场景的水凝胶结构与性能表征策略

今日，材料化学快讯推出"史上最全！基于应用场景的水凝胶结构与性能表征策略"包括水凝胶化学结构（核磁、红外、紫外、XRD和GPC等）表征方法，水凝胶理化性能（微观形貌、吸水性、溶胀性、降解性等）表征方法，水凝胶力学性能（强度、延展性、模量、韧性、耗散能、抗疲劳性、滞后性与载荷循环性等）表征方法，水凝胶流变学（温度模式、时间模式、频率模式与剪切应变模式等）表征方法，水凝胶粘附性能（粘附强度、粘附能等）表征方法，水凝胶抗菌性能表征方法，水凝胶防污性能表征方法，水凝胶导电性能表征方法，水凝胶传感性能表征方法与水凝胶创面敷料表征方法等，满足科研个性化需求、提高科研时效。

一、水凝胶化学结构表征方法

“结构决定性能，性能反映结构”，有关水凝胶的应用与课题，通常需要从微观化学结构角度研究和阐释其宏观材料学性质。而洞察材料化学结构依赖于各种表征手段，这对于非相关专业的研究人员有较高的门槛，论文中各种抽象的谱图往往让人一头雾水。本期，材料化学快讯带大家了解水凝胶常见化学结构表征方法（核磁、红外、紫外、XRD和GPC等）的简要原理及用途，让非相关专业研究人员能更好地读懂这些测试结果。

1.1 核磁共振波谱法（NMR）

核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团等），常用的有核磁共振H谱、C谱、B谱与Si谱等，通过相应谱图能够得到样品分子中H、C、B、Si等的种类、杂化类型等。

图1.1 核磁（特征峰-双键峰的出现）验证GelMA及甲基丙烯酸缩水甘油酯进一步改性GelMA的合成成功.

1.2 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

FT-IR是由于化合物分子中成键原子振动能级跃迁时吸收特定波长的红外光而产生的吸收光谱，主要用于结构分析、定性鉴别及定量分析。

图1.2 通过醛基化PEG（PEG-CHO）和己二酰肼修饰的海藻酸钠（Alg-ADH）制备得到自愈合水凝胶。通过FT-IR解释所制备自愈合水凝胶自愈合的机理问题.

1.3 紫外可见吸收光谱（UV-Vis）

物质分子吸收一定的波长的紫外或可见光时，分子中的价电子会从低能级跃迁到高能级而产生的吸收光谱。

图1.3 多巴胺和海藻酸盐结合率的测定：(a) 海藻酸盐和海藻酸盐-多巴胺的化学结构；(b) 不同浓度（0.2-3.0 mM）多巴胺的UV-Vis图；(c)多巴胺溶液的标准曲线；(d) 海藻酸盐-多巴胺（1 mg/mL）溶液的UV-Vis图.

1.4 质谱（MS）

通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离记录。

图1.4 没食子酸自聚合为聚没食子酸的质谱表征.

测试目的：四大光谱测试学中，核磁、红外、紫外、质谱测试或单独，或协同对水凝胶设计中相关的活性官能团（-C=C-、-NH2、-COOH、-CHO、等）进行分析，可根据NMR图谱对构成水凝胶前驱体的大分子聚合物或小分子交联剂、引发剂和负载小分子等进行化学接枝率、药物负载率、成胶可能性等的分析。

1.5 凝胶渗透色谱（GPC）

利用高度多孔性的、非离子型的凝胶小球将溶液中多分散的聚合物逐级分开，配合分子量检测器使用即可得到分子量分布，最终实现对水凝胶设计中前驱体聚合物分子量及其分布或聚合物的支化度、共聚物及共混物的组成等进行分析。

图1.5 聚合物分子量的GPC表征.

1.1X射线衍射仪（XRD）

测试原理：利用X射线与晶体之间的衍射作用确定晶体结构。

测试目的：对水凝胶设计中前驱体聚合物的晶体结构（如丝素蛋白、胶原蛋白等含有晶体结构的天然大分子）或负载的纳米粒子（如生物玻璃、羟基磷灰石等）等进行晶体结构的分析。

二、水凝胶理化性能表征方法

水凝胶是一类以水为分散介质的三维网状交联高分子材料，其内部交联结构很大程度上决定了水凝胶的生物相容性、生物可降解特性等、吸水性和溶胀性等特性。那么如何还原水凝胶内部的真实结构？水凝胶的交联密度如何影响水凝胶的溶胀和降解行为？

这里为大家介绍水凝胶常见理化性能的表征方法（微观形貌、吸水性、溶胀性、降解性、自愈合性等）的简要原理及测试手段，从介绍的角度罗列测试手段，让非相关专业研究人员能更好地运用这些测试手段。

2.1 微观形貌

SEM检测是材料微观形貌必不可少的研究手段，需要在高真空环境中进行样品的观测，而水在真空环境下的气化不仅影响真空度、污染样品，还会破坏样品的微观结构。对于水凝胶样品，通常需要进行干燥处理再进行拍摄。一旦经干燥处理后，所拍摄的微观形貌将主要取决于冻干处理的过程，其不能真实反映湿态块状凝胶的高分子网络，所呈现的结果是水凝胶冻干支架而非水凝胶本体。

水凝胶的SEM检测结果的优良主要取决于样品的干燥预处理过程，目前水凝胶常用的干燥手段有真空冷冻干燥法、临界点干燥法。

（1）真空冷冻干燥法是通过冷冻使产品凝固，并在加热时通过升华（一种化学现象）蒸发含有该产品的溶剂（通常是水）。固相向气相的转变发生在水和溶剂都不通过液态的情况下。预冻结过程是保证干燥后的水凝胶与干燥前有相同的形态，防止抽真空干燥时起泡、收缩等不可逆变化产生。

图2.1 冷冻干燥法制备三维支架

（2）临界点干燥法是指在超临界流体条件下对凝胶进行干燥，不会产生由附加压力而引起的凝胶结构的坍塌，避免了凝胶在干燥过程中的收缩，保持了凝胶的网络框架结构，可制得具有高比面积、粒径分布均匀、大孔容气凝胶。但弊端在于：水凝胶的临界温度、临界压力都比较大（TC=374.15 ℃，Pc=22.12 MPa），不适宜直接进行超临界流体干燥。一般选用CO2作为置换溶剂置换水溶液后，再进行超临界干燥，称为超临界CO2萃取干燥。

图2.2 超临界CO2萃取干燥法得到的纤维素气凝胶SEM表征.

2.2 吸水性

水凝胶的吸水率有两种定义，一是指在一定条件下的最大吸水率，可用单位重量干燥水凝胶的饱和吸水量来表示；二是指水凝胶吸水达到饱和之前单位时间内的吸水量，即吸水速率。

通常将制备好的干燥水凝胶放入纱布中，即茶袋法，浸泡在水溶液中，待溶胀平衡后，取出沥干，称其质量，吸水率Q（g/g）：Q=(Ms-Md)/ Md×100%，其中Ms为吸水一定时间后水凝胶质量，Md为干凝胶的质量。

图2.3 a.甘蔗渣基水凝胶的吸水率探究；b.水凝胶的降解性能.

2.3 溶胀性能

水凝胶是由网状结构聚合物和水组成，因此水凝胶在水中可呈现出显著的溶胀现象，即水凝胶在吸收溶剂后自身体积增大而不至于溶解。在溶胀发生时，溶剂分子试图进入到网络结构内部，使体积溶胀导致三维分子网络的伸展；而交联的分子链具备一定的弹性收缩力，使水凝胶网络收缩。当这两种相反的倾向互相抵消时，即达到溶胀平衡。

图2.4 PVA水凝胶的溶胀性能探究.

水凝胶溶胀率即是来评价这两个过程的相互制约平衡的程度。通常，通过在连续的时间间隔进行自由吸收能力测量来获得水凝胶样品的溶胀能力与时间的关系曲线。假如凝胶（干燥或湿态）的初始质量为Wd，将凝胶在某一温度下浸泡，每隔一段时间称重，直到溶胀平衡时的质量为Ws，则平衡溶胀率SR：SR=(Ws-Wd)/ Wd×100%。

2.4 降解性能

水凝胶的降解机制归因于聚合物分子链的断裂，其降解途径主要是水解（如合成水凝胶PEG、PLA等）、酶解（如胶原、明胶、透明质酸）和溶解（如离子交联型海藻酸钠水凝胶）等。

根据不同水凝胶的降解机制，将一定形状的水凝胶置于体外水环境或体内环境下，一定时间段后，计算对比降解前后的质量变化，采用干态称量法即可得到水凝胶的降解行为（降解速率或降解百分比）。

图2.5 GelMA/GO复合水凝胶的降解行为：a.水凝胶压缩模量随GO浓度和光固化时间的变化曲线 b/c. GelMA/GO水凝胶的SEM图; d.不同GO浓度的水凝胶暴露于胶原酶的降解情况；e/f.胶原酶作用24小时后，GelMA/GO水凝胶的SEM图.

2.5 自愈合性能

水凝胶的自愈合（自修复）机制主要归因于凝胶网络中的可逆共价键（酰腙键、希夫碱、二硫键或D-A键等）或非共价键（氢键、静电作用、π-π共轭、偶极作用等）的可逆断裂-形成作用。

根据不同水凝胶的自愈合机制，将一定形状（矩形、圆片或哑铃型等）的水凝胶切成两半（其中一半可以染色，以便提高观察效果）或中间挖一个空洞，然后将两个单独的水凝胶分别在空气或水中接触，在愈合过程中不施加其他外力或外部刺激，自愈合一段时间后，将水凝胶拿起下垂或手动拉伸进行自愈合性能定性评估，再次进行拉伸实验对其进行定量评估，通过SEM观察愈合前后水凝胶断面形貌。

图2.6 水凝胶自愈合性能表征.

三、水凝胶力学性能表征方法

水凝胶的力学性能一般以弹性模量来表征。材料在弹性形变过程中，应力与应变之间的比例关系就是弹性模量，弹性模量越大，材料越不易发生形变。目前测量水凝胶弹性模量的方法主要有拉伸法与压缩法，可根据实际情况选择合适的试验方法，不管哪种方法均可以通过电子万能试验机（具有结构紧凑、简单易用等特点，可应用于拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂等测力试验；选配不同量程的载荷传感器可以为小到微米级的纤维，大到满载的结构件等试样提供精准的测量数据）进行。

图3.1 电子万能试验机外形图.

拉伸法是在规定的实验温度、速度和湿度的条件下，利用电子万能试验机对样品施加沿纵轴方向的静态拉伸负荷，直至样品被拉断，在此过程中设备会自动生成样品形变的应力-应变曲线：

1）通过应力-应变曲线可以得到拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸断裂应变、拉伸屈服应力以及拉伸弹性模量等；

2）此外，通过应力-应变曲线利用积分等数学运算还能够得到断裂韧性、断裂能等数据；

3）利用载荷循环模式测试还可以评估水凝胶滞后率、抗疲劳韧性等。

图3.2 水凝胶拉伸性及拉伸循环性能表征.

压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下的力学性能，试样破坏时的最大压缩载荷除以试样的横截面积，称为压缩强度。压缩试验一般适用于脆性材料，对于塑性材料，无法测出压缩强度极限，但可以测量出弹性模量和屈服强度等。与拉伸试验相似，通过压缩试验可以作出压缩曲线。在压缩试验中，试样端面存在较大的摩擦力，影响试验结果。试样越短影响越大，为减少摩擦力的影响，一般规定试样的长度与直径的比为1-3，同时降低试样的表面粗糙度，涂以润滑油脂或垫上一层薄的聚四氟乙烯等材料。

图3.2 水凝胶压缩性能表征.

四、水凝胶流变学表征方法

流变学是衡量液体和固体流动和变形行为的学科，是研究水凝胶材料的一个理想方法。水凝胶具有固有的固液双重特性（粘弹性），也就是说，它们可同时表现出粘性行为和弹性行为。动态（振荡）流变仪可对这些复杂特性进行表征，并给出粘弹性的定量测量（储能模量G’、损耗模量G’’与损耗角正切tanφ）报告。这里，储能模量G’指的是使样品发生扭曲需要施加的能量；损耗模量G’’指的是材料变形后恢复其原有形状时所损失的能量；损耗角正切tanφ定义为损耗模量与储能模量的比值，即tanφ=G’’/G’，该指标用于测量水凝胶的阻尼能力。

图4.1 旋转流变仪外形图.

按照施加外力模式不同，流变仪的主要测试模式可以分为以下几类：

1）应力控制或应变控制下的旋转测试：在这种模式下，样品被放置在一个旋转平台上，而剪切应力是通过施加于样品上的剪切速率来实现的。这种模式主要用于研究流体的流动特性和粘温特性；

2）应力控制或应变控制下的振荡测试：在这个模式下，样品被放置在一个振动台上，而剪切应力是通过施加于样品上的振幅来实现的。这种模式主要用于研究材料的粘弹性和结构特性；

3）蠕变/恢复测试：这个模式主要用于研究材料在受到外力作用后的变形恢复过程；

4）应力松弛测试：这个模式主要用于研究材料在外力去除后所发生的松弛现象；

5）法向应力测量：这个模式主要用于测量样品在特定方向上的法向应力；

6）线性拉伸或压缩：这个模式主要用于测量样品的线性力学特性；

7）振荡和旋转的叠加测试：这个模式结合了振荡和旋转两种测试方式的优点，可以用于更全面地研究样品的流变特性。以上各种模式可以根据测试的目的和样品的特性来选择和应用。

此外，根据扫描参数不同，流变仪的测试模式可以分为以下几类：

1）温度模式：通过测量黏弹性能对温度关系探测玻璃化转变温度（Tg）等，除此之外，还可以探测α、β甚至是γ等次级转变。在连续变温测试中通常应用线性变温速率，典型的变温速率为1-5 ℃/min，使用一个或多个频率，施加线性黏弹区振幅。转变温度可以通过储能模量G’的起始转变点或者损耗模量G”、损耗正切tan δ的峰确定。

在阶梯变温测试中，温度按阶梯改变。在每一个恒温段需要等待或平衡一段时间以保证样品内部温度均匀。施加的振幅需控制在线性黏弹区，应用的频率可以是一个或多个。该测试模式常被用来做时温叠加实验。获得的黏弹数据还可以进一步使用TRIOS计算模块得到分子量分布信息。

温度模式一般用于温敏性水凝胶测定，探究LCST或UCST水凝胶转变温度。

图4.2 水凝胶的温度扫描模式.

2）时间模式：震荡时间扫描是温度、应变和频率恒定不变，考察黏弹性能随时间变化。震荡时间扫描的重要性在于可以跟踪材料结构对时间变化的动力学过程，可用于考察固化过程、疲劳测试、结构重建等其他与时间相关的过程。对水凝胶材料而言，主要用于考察原位水凝胶的凝胶动力学过程。

图4.3 水凝胶的时间扫描模式.

3）频率模式：在频率扫描中，温度和应变恒定，考察的是黏弹性能对频率的关系。这种频率扫描模式可以探究水凝胶中是否存在可逆共价键（可逆共价键对高频低频率具有不同的响应特性）。

图4.4 水凝胶的频率扫描模式.

4）剪切应变模式：在应变扫描中，温度和频率恒定，考察的是黏弹性能对应变的关系，这种频率扫描 旋转流变仪可用于确定材料的线性黏弹区。对水凝胶材料来说，可用于考察水凝胶稳定性，及自愈合特性。

图4.5 水凝胶剪切应变扫描模式用于考察水凝胶的稳定性与自愈合特性.

五、水凝胶粘附性能表征方法

具有粘附性的水凝胶已在皮肤修复、伤口缝合和可穿戴设备等领域展现出很好的应用前景。你是否会有这样的疑惑：所制备的水凝胶粘不粘？能否有效的粘附于生物组织？粘附强度又如何？针对这些问题，对常见水凝胶粘附性能表征手段有一个详尽了解是十分必要的。

5.1 表观粘附

直接将水凝胶片粘附于各基材表面，采用垂直提拉或剥离等方法直观展现凝胶的粘附性能。

图5.1 水凝胶表观粘附性示意图.

5.2 搭接剪切测试

将水凝胶粘合剂置于两个较硬的基材样条之间进行搭接剪切测试（如图所示）（注意：搭接剪切测试中凝胶的厚度会影响测试结果）。

图5.2 搭接剪切测试示意图及粘附力随位移的关系图（area为粘合剂与待测物接触面积）.

通过万能试验机测试得到粘附作用力与位移之间的关系图，并由图5.2所示公式计算得到水凝胶的粘附强度。

图5.3 搭接剪切示意图及PANH粘附性水凝胶对不同生物组织的粘附强度.

5.3 拉伸试验

通过测试水凝胶粘合剂从待测物表面分离所需的力来确定粘附强度。

图5.4 拉伸试验测试示意图及粘附力随位移的关系图（area为粘合剂与待测物接触面积）.

评价手段：同搭接剪切测试，可由图5.4中公式计算得到水凝胶的粘附强度。

图5.5 拉伸试验示意图及水凝胶对各生物组织的粘附强度.

5.4 剥离测试

按照剥离角度分为180°剥离测试（即T型剥离测试）和90°剥离测试（L型剥离测试）；通过测试样品从粘附界面被剥离所需的力来确定粘附强度。

图5.6 180°（图a）和90°（图b）剥离测试示意图及粘附力随位移变化图（图b，第Ⅱ阶段最大剥离力决定脱粘抗力，第Ⅲ阶段稳态剥离力决定粘接韧性）（width为样品宽度）.

由图5.6所示公式计算得到水凝胶的界面粘附强度（Interfacial toughness），180°型剥离时，Interfacial toughness = 2Fpeel /width；90°剥离时，Interfacial toughness = Fpeel/width。

图5.7 基于腺嘌呤和胸腺嘧啶修饰的PAAm水凝胶90°剥离测试.

5.5 爆破压力测试

将水凝胶粘于打孔的组织或材料表面，通过向密封容器中注入水或空气等，以施加压力，通过测试密闭容器压力值来测试爆破压力。

图5.8 爆破压力测试示意图及压力随时间的关系图.

评价手段：凝胶密闭界面破裂前的压力峰值可被认为是爆破压力。

图5.9 自制爆破测试装置并测定水凝胶爆破压力.

5.6 探针粘性测试

首先，将水凝胶固定于基底上，探针以恒定的压缩速率压缩水凝胶样品，达到额定压力（如0.1 N）。然后，探针在该位置保持60 s。随后，以恒定的速度缩回，直到脱粘完成。通过探针从水凝胶表面分离过程中的力-位移曲线来确定粘附强度。

图5.10 探针粘性测试示意图.

以上水凝胶粘附性测试方法也适用于水下环境的粘附性测试，仅需设置合适的水下测试条件。

如图5.11所示，展示了水凝胶的水下粘附性能测试的模型。

图5.11 水凝胶水下粘附测试方法：A.搭接剪切试验; B C.探针粘附试验; D.剥离试验; E.拉伸试验图片.

六、水凝胶抗菌性能表征方法

抗菌性水凝胶具有抑制细菌生长的能力，其在伤口护理等领域有较高的应用价值。在相关课题研究中，一般研究者选择金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）等细菌模型来探究水凝胶的抗菌效果，那么具体的检测方法有哪些呢？

6.1 OD值计数法

Step1：将一定菌液浓度（约106 CFU/ml）的细菌悬液与抗菌凝胶孵育12h后（时间不定，可根试验设计调整抑菌时间）；

Step2：孵育结束后将细菌悬液（稀释适当比例，便于后期计数），采用OD值计数法计算抑菌率。

OD值计数法免去涂板操作，可直接对抗菌凝胶作用后的细菌悬液进行OD600吸光度值的测定，OD值越低，抗菌作用越强。

6.2 涂布平板法

Step1：将一定菌液浓度（约106 CFU/ml）的细菌悬液与抗菌凝胶孵育12 h后（时间不定，可根试验设计调整抑菌时间）；

Step2：孵育结束后将细菌悬液（稀释适当比例，便于后期计数）接种至固体营养培养基表面，37℃培养12-24 h后，取出培养皿拍照计数，可分别采用平板计数法和活死/染色法，计算抑菌率。

平板计数法可通过明场拍照，利用ImageJ软件计算得到抑菌率；

活死/染色法可利用活死细菌双染试剂盒分别将活细菌和死细菌染上绿色和红色后，进行细菌活死的镜检观察，该方法更为直观。常用的活死细菌染料为SYTO 9/PI。

6.3 抑菌环法

Step1：将一定体积大小的圆柱形水凝胶样品或浸润抗菌凝胶溶液的纸片放入均匀涂有细菌悬液的固体营养培养基上；

Step2：37 ℃培养12-24 h后，最后测量抑菌环大小。

水凝胶的抗菌性能即可由抑菌环的直径来决定，直径越大则抗菌性能越好，反之则抗菌性能越差。

6.4 扫描电镜法（SEM）

Step1：将水凝胶作用后的细菌经2.5%戊二醛溶液于4 ℃条件下固定40 min；

Step2：依次使用浓度为20-100%的乙醇水溶液进行梯度脱水后，干燥后进行SEM观察。

通过SEM图可直观看出空白试样组处理过的细菌细胞膜是完整光滑的，而抗菌水凝胶处理后的细菌细胞膜一般会发生皱缩，发生形变甚至破裂。

范例：纳米多巴胺水凝胶提高光热转换率用以抗菌及伤口愈合. Advanced Science（IF=16.806）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202106015

图6.1 利用Ag包裹PDA纳米颗粒（PDA@Ag）载入阳离子瓜尔胶水凝胶中，协同光热效应实现抗菌.

图6.2 CG/PDA@Ag (CPA2)水凝胶的抗菌性能.

检测手段：涂布平板法、扫描电镜法（SEM）

检测结果：

（1）研究者以S. aureus和E. coli为细菌模型，利用测试近红外光响应性抗菌凝胶的抑菌效果，明场图及CLSM荧光图表明负载PDA@Ag纳米粒子的瓜尔胶水凝胶（CPA2）在近红外光（NIR）作用下，能显著增强凝胶的抗菌作用，单一负载PDA的水凝胶的光热性能较弱，不足以杀死细菌。且荧光检测结果与平板计数法结果具有相同的抗菌趋势；

（2）通过SEM观察各组凝胶作用处理后的细菌图可知，在近红外作用下，CPA2水凝胶对细菌细胞膜的损伤更为严重，导致细菌扭曲甚至破裂。结果表明，CPA2 + NIR抗菌平台具有显著的杀菌作用，可诱导细菌细胞膜的破坏。

七、水凝胶防污性能表征方法

海洋生物污损是指海洋生物在水下设施上的有害附着和生长。在众多防污技术中，涂装防污涂料是最有效、经济和简便的途径。传统防污涂料在应用过程中会释放出大量有毒成分，对生态环境造成危害。水凝胶主要是通过水合层对水体中蛋白、多糖等高分子附着的抑制（海洋生物污损发生的第一阶段）发挥防污作用，这使得水凝胶对蛋白、多糖等附着的抑制能力成为该类材料考察的重点之一，因此，开发具有环境友好特性的水凝胶防污材料成为当前防污材料领域的研究热点之一。这里系统总结了关于水凝胶防污性能的一些表征方法，除了之前提及的

水凝胶防污材料一般性能（溶胀性能、弹性模量、表面形貌及表面能）的表征，我们重点就水凝胶防污材料应用性能进行表征。

7.1 基材表面粘附性能

首先，采用“静态浸泡”的方法对水凝胶防污涂层样板在海水中进行初步筛选，选出附着力较好的水凝胶涂层样板进一步测试；然后，通过“动态划水”对初步筛选出的样板进一步考察。在“动态划水”阶段，综合考虑水凝胶涂层出现脱落的时间和脱落面积进行“评级”。其中，静态浸泡参照GB/T10834-2008《船舶漆耐盐水性的测定盐水和热盐水浸泡法》。

以ABS板为基材，将制成的水凝胶涂层样板浸泡在海水中，在7d内脱落的水凝胶涂层为1级，在7d后仍然没有脱落的评为2级；动态划水按照GB/T7789-2007《船舶防污漆防污性能动态试验方法》，将水凝胶涂层样板固定在动态试验装置样板架上，在规定的转速下模拟海水冲刷环境，并在一定的时间后观察水凝胶防污涂层的表面脱落状况，并综合时间和脱落面积2种因素对附着力进行评级。通过静态浸泡、动态划水相结合的方法，能够非常有效、直观、简单评价水凝胶防污材料在基材上以及在实际海洋环境中的附着能力。

7.2 抛光性能

通过水凝胶材料缓慢水解抛光，模拟生物体分泌的黏液，进一步增加水凝胶表面的不稳定性，以增强水凝胶防污材料的防污性能。防污涂料的自抛光性能一般用磨蚀率来表示，测试时将样板安装在没于海水中的旋转模具上，以一定速度进行磨蚀试验，测试单位时间内的涂层厚度变化。对于水凝胶防污材料，其特有的溶胀特性使涂层在加速磨蚀前后厚度变化并不明显，因此通过称量单位时间内、规定条件下水凝胶防污涂层样板磨蚀前后的质量变化能更好地反映水凝胶防污材料的抛光性能。水凝胶的抛光性能可以用抛光率（D）来表示，如下式所示。

式中：m0-空样板的质量；m1-样板浸泡前的质量；mt-样板浸泡后的质量。

抛光率测试方法一般采用转鼓法，具体方法、条件及划水设施参照GB/T31411-2015《船舶防污漆磨蚀率测定法》。

7.3 抗蛋白吸附性能

海洋设施表面的生物污损通常经历有机分子层的形成、生物膜的形成、藻类孢子和原生动物附着、大型污损生物的附着等多个步骤，如图7.1所示。其中，海水中的有机物，如，蛋白、多糖、核酸等，在物体表面的吸附是污损发生的关键一步。水凝胶发挥防污作用的机制之一，正是利用表面的水合层对有机分子吸附产生抑制，进而抑制后续污损生物的进一步附着。因此，水凝胶表面的抗蛋白吸附能力的考察是该材料防污性能评价重要组成部分。

图7.1 生物污损形成过程.

蛋白质在材料表面的吸附可以用石英微晶天平（QCM）、表面等离子共振仪（SPR）来表征。QCM是通过检测石英振子振动频率的变化来表征感应器表面质量的变化，是一种非常灵敏的检测器，可以实时动态地检测蛋白吸附的质量、吸附层的厚度、黏弹性变化以及吸附蛋白的构象变化等。SPR是利用等离子共振原理设计的生物光学检测设备，可以用来检测各种生物分子间的相互作用，包括蛋白质在表面的吸附，具有待测物无需荧光标记、实时检测、灵敏度高等优点。

常用的蛋白质有免疫球蛋白G（IgG）和牛血清蛋白（BSA），其中IgG对考马斯亮蓝试剂的响应是BSA的2倍。因此IgG更适合于水凝胶抗蛋白吸附实验研究。该方法的测定存在一些物质的干扰，如去污剂、TritonX-100、十二烷基硫酸钠（SDS）和强碱性环境。如果样品中含有相应的干扰物质，需先排除干扰物质后再进行测试。

八、水凝胶导电性能表征方法

近年来，随着高新技术的发展，水凝胶在生物电子学、智能医学、电子皮肤等领域开始崭露头角，作为一共新型智能材料，导电水凝胶不仅具有一般水凝胶的生物相容性、柔韧性、透明性，还兼具优异的导电性，在未来技术发展中扮演着越来越重要的角色，本节内容系统阐释导电水凝胶的导电性能表征方法。

8.1 闭环电路LED点亮法

将导电水凝胶、LED灯、电源等组成闭合回路，观察LED的点亮情况，间接判断水凝胶的导电性与导电性能强弱。

图8.1 水凝胶点亮LED灯.

8.2 EIS（交流阻抗谱）法

电化学阻抗谱方法（EIS）是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号的电化学测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响，另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学处理变得简单。通过EIS测量曲线来计算水凝胶导电率。

图8.2 EIS法测定水凝胶电导率.

九、水凝胶传感性能表征方法

采用电子万能试验机与LCR数字桥测量不同应变和压力下水凝胶的相对电阻变化（ΔR/R0）。对于应变响应水凝胶传感器，将两根金属线作为电极连接在凝胶两侧，制成离子导体；对于压力响应传感器，将圆柱形凝胶传感器作为离子导体。同样，将水凝胶附着在不同的人体组织上，直接获得人体运动产生的凝胶相对阻力变化。在人体运动监测过程中，为了避免水凝胶在应变和压力刺激下产生的电信号受到温度干扰，必须在检测前将水凝胶涂在人体皮肤上以获得温度平衡。相对阻力变化计算公式如下：

式中，R和R0分别为水凝胶的测试阻力和初始阻力。

此外，使用规范因子（GF）来评价凝胶在拉伸过程中的敏感性，其计算公式如下：

其中ε表示施加的应变。

压力敏感性（S）用于测量水凝胶在压缩过程中的敏感性，由下式得到:

其中σ为外加应力。

十、水凝胶创面敷料表征方法

创面愈合敷料是一个不断发展和创新的领域，其背后的研究方法也在不断演进。传统的研究方法，如细胞实验、抗菌实验和全皮层伤口愈合实验，无疑已经为我们提供了坚实的基础和深刻的见解。

然而，面对日益复杂的临床需求和多样化的伤口类型，单一或传统的研究方法可能无法满足所有的研究需求和目标。在这一背景下，探索和引入新的表征手段成为了必要。新的表征手段不是要替代传统方法，而是为了提供更多元的视角，揭示伤口敷料的不同层面和特性，增强研究的深度和广度。

为此，这里探讨了5种有价值且值得借鉴的表征手段，主要从材料学角度（看点1-3）和细胞（看点4）、基因层次（看点5）来对相关表征进行进一步的优化，这些方法可能并不被广泛使用，但却具有独特的优点和价值。研究者们可以从不同的角度审视伤口敷料，发现其未被充分挖掘的潜力和价值，从而为伤口敷料的创新和优化提供新的思路和方向。

1）粘附性：合理选用对照组（组织），全方位多角度评估粘附性；

2）循环力学性能测试：实验数据结合实际应用图片直观表达材料性能；

3）继发性损伤评估：评估材料对伤口的二次伤害；

4）上皮细胞层、成纤维细胞评分和炎症细胞评估：从细胞水平评估；

5）转录组学分析测试：从基因层次评估。

10.1 粘附性

粘附性测试对于评估伤口敷料在临床应用中的实用性至关重要，它能够衡量敷料贴合皮肤的能力，以确保敷料在穿戴期间保持稳定。如果伤口敷料本身具有足够安全且有效的粘附性，那么它就可以避免使用传统创可贴中常见的额外粘合剂。自粘性的敷料不仅使用更方便，还可以减少皮肤过敏反应的风险，这对于敏感皮肤或需要频繁更换敷料的患者来说尤其重要。

虽然很多文献对粘附性作了一些基础的测试，但对于全面评估材料粘附性仍缺乏一些多角度的方法，此部分我们列举了两篇文献供大家参考：

图10.1 一种用于糖尿病伤口愈合的应变程序贴片（Nature Biomedical Engineering，IF =28.1）.

为评价应变程序贴片对湿伤组织的粘附性能，本文以湿猪皮为模型组织，对组织粘接剂进行了三种标准力学试验，并与市售的组织粘接剂和伤口敷料作为对照，分别测量界面韧性（180°剥离试验）、剪切强度和伤口收缩强度。该应变编程贴片可以在接触和轻压（1 kPa）应用不到5s的情况下迅速建立牢固的粘附，通过对其粘附性的测试表明了该应变编程贴片具有显著的强粘附力，便于达到其物理收缩伤口的目的。

图10.2 用于伤口修复的天然生物粘合剂（Nature communications，IF=16.6）.

为了评估了其粘附湿组织的能力，使用新鲜的SMG（~200 mg）与湿的新鲜器官接触时立即粘附并且可以承受它们的重量。根据美国材料试验协会（ASTM）标准，通过测试两种湿纸巾之间的剪切强度、拉伸强度和界面韧性来评估SMG的生物粘附性能，选择纤维蛋白胶作为主要对照。

10.2 循环力学性能

循环力学性能测试是评估伤口敷料在反复应力下性能的关键抗疲劳测试。通过模拟日常活动中敷料可能遭受的拉伸、弯曲和压缩等力学应力，这种测试对于保证敷料的实用性和耐用性至关重要。特别是在某些特定应用场景下，如大活动关节（例如膝盖、肘部）附近的伤口敷料，需要适应频繁且多变的动作。因此，敷料不仅需要具有良好的粘附性，还必须具备足够的弹性和抗拉伸能力，以防在频繁的动作中破裂或脱落。循环力学性能测试能够帮助研究人员优化敷料的材料和设计，使其既能贴合皮肤，又能承受连续的机械应力，从而保持稳定和舒适。下面我们将举例在这方面做出详细研究的工作。

图10.3 具有快速自愈性、延伸性和压缩性，可作为关节皮肤创面愈合的注射型抗菌胶粘剂水凝胶敷料Biomaterials（IF 14）.

为了验证其循环力学性能，通过50次连续加载-卸载循环来评价水凝胶的机械稳定性，水凝胶的拉伸应力只下降了约20%，证明了水凝胶的抗疲劳性能。在较低应变（60%）下，水凝胶既没有发生严重的塑性变形，也没有发生强度下降，表明其具有良好的鲁棒性和回弹性。此外，水凝胶在压缩和松弛过程中具有良好的可逆性（图i）。最后，将其应用于肘部时，实验者可以自由弯曲肘部(相交角度为0-180°)，没有任何阻力，验证了该水凝胶作为关节皮肤创面敷料的实际用途。

10.3 继发性损伤评估

由于成本效益高和出色的止血性能，纱布在伤口敷料中仍被广泛使用。然而，纱布在换药时可能带来的问题不容忽视。特别是在更换纱布的过程中，由于新生组织往往与纱布紧密粘连，纱布的移除有时会对正在愈合的伤口造成二次伤害。这种继发性损伤不仅会延长伤口的愈合时间，还可能增加感染的风险，对患者造成额外的痛苦。因此，评估和最小化换药时的继发性损伤是优化伤口治疗方案的关键部分。

图10.4 用于伤口愈合的保水可分离粘合水凝胶敷料，不会造成二次损伤Science China Materials（IF= 8.1）.

这里一种基于双键化丝素蛋白、单宁酸和聚氨酯二丙烯酸酯的具有保水性能和可撕断性能的粘附水凝胶敷料。本文对换药时的继发性损伤进行了如下评估：下图b显示本文报道的水凝胶组的继发性出血与其他敷料更换时相比都是最低的。此外，相关炎症因子（TNF-α和IL-1β）在新损伤后约12小时显著增加。采用实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）检测首次换药后12 h TNF-α和IL-1β的相对基因表达。结果显示本文报道的水凝胶组中两种炎症因子的相对基因表达最低。通过对换药时的继发性出血和炎症因子进行评估，证明了本文报道的水凝胶基本不会引发继发性损伤，有利于伤口愈合进程。

10.4 上皮细胞层、成纤维细胞评分和炎症细胞评估

在伤口愈合的研究中，对上皮细胞层、成纤维细胞和炎症细胞的评估不仅揭示了敷料对伤口愈合过程中关键细胞类型的影响，还提供了敷料促进或抑制愈合的直接证据。上皮细胞层的完整性反映了伤口闭合的进展，成纤维细胞的活性则与组织重建和愈合质量直接相关。同时，炎症细胞的评估则有助于理解敷料如何影响伤口愈合的早期阶段，包括炎症反应的调节。因此，这些评分不仅是评价敷料效果的重要指标，也是优化敷料设计和提高其疗效的关键参考。

图10.5 基于脱细胞肌腱和GelMA的生物活性伤口敷料Chemical Engineering Journal（IF =15.1）.

这里报道了一种由脱细胞细胞外基质（ECM）、GelMA和载有聚多巴胺的积雪草苷（AC@PDA）纳米颗粒制备的生物活性复合水凝胶，可用作可促进愈合的伤口敷料。在第5天、第10天和第15天，使用组织病理学评估对上皮细胞层、成纤维细胞评分和炎症细胞进行了评估，基于ECM的水凝胶（ECM-G、PDA/ECM-G和AC@PDA/ECM-G）处理组的评分高于空白组和GelMA处理组。显然，与基于ECM的水凝胶处理组相比，在空白组和GelMA水凝胶处理组中观察到更多的炎症细胞。从第5天到第15天，每组的炎症细胞评分均有所降低，并且基于ECM的水凝胶治疗组的评分低于其他组。此外，在第10天明显观察到毛细血管，并且从第10天到第15天新形成的毛细血管数量大大增加。这项研究不仅证实了该复合水凝胶敷料在促进伤口愈合方面的潜力，也突显了其在减轻炎症反应方面的优势。

10.5 转录组学分析测试

转录组学分析测试是一种强大的工具，用于深入了解伤口敷料如何在分子层面影响细胞的反应。这种分析通过评估敷料对基因表达的影响，揭示了其促进或抑制伤口愈合过程的分子机制。该测试特别适用于大规模筛查，能够对大量的基因活动进行快速评估，从而为实验设计和敷料开发提供宝贵的指导。通过转录组学分析，研究人员可以识别哪些基因在敷料作用下被上调或下调，这有助于揭示敷料对伤口愈合关键途径的潜在影响。此外，这种方法在文章中的应用可以大幅提升研究的学术深度和创新程度，对于发表在高影响因子期刊上的论文尤其有利。

转录组学分析也有其局限性，其中最显著的是成本问题，高昂的测试费用可能会限制一些研究团队的使用，特别是对于那些预算有限的实验室；虽然这种分析能提供丰富的数据，但解读这些数据需要高度专业的知识，且有时候结果的生物学意义并不总是直接明了，可能为一些研究团队带来额外的挑战。尽管如此，转录组学分析提供了一个独特的视角，可以帮助研究人员更全面地理解伤口敷料如何影响细胞层面的生物学过程，这对于设计出更高效的敷料产品是非常宝贵的。

图10.6 用于伤口修复的天然生物粘合剂Nature communications（IF 16.6）.

如图10.6，为了系统地评估SMG治疗后持续性慢性炎症的逆转，在第 3、7 和 14 天对伤口组织的转录组进行了分析，其中涵盖了炎症和增殖阶段。用SMG处理后，使用edegR分析分别在第3、7和14天鉴定出855、236和728个差异表达基因（DEG）（错误发现率<0.05）（下图a，b）。具体而言，用SMG治疗后第3天，炎症相关基因的表达均下调（下图c）。此外，在第7天和第14天接受SMG处理后，与伤口愈合和血管生成相关的基因的表达上调（下图d）。基因本体（GO）分析显示第3天有648个与免疫反应、代谢过程和氧化还原过程相关的基因下调（下图e）。对240个上调基因的GO分析表明，SMG处理在第14天增强了器官再生、伤口愈合和细胞增殖（下图f）。

注：以上内容仅供大家参考，如有表述不严谨或需要补充的内容欢迎大家留言补充。