多场耦合下水凝胶柔性生物材料原位双轴力学响应研究

多场耦合下水凝胶柔性生物材料原位双轴力学响应研究

引言

水凝胶作为一类高含水柔性高分子材料，在软组织工程、柔性电子、医用植入领域潜力巨大。人体软组织处于双向应力耦合环境，单轴拉伸测试难以真实还原材料在体内的受力状态；同时水凝胶力学强度低、变形大，常规试验机存在装夹滑移、加载偏心、微变形采集困难等问题。原位双轴力学测试能够模拟软组织平面双向受力工况，结合 DIC 非接触应变表征，获得材料各向异性力学参数，是当前软物质生物力学研究的前沿手段。本文制备一种高强度复合水凝胶，开展原位双轴拉伸试验，研究不同双向应力配比下水凝胶的形变、损伤与抗撕裂行为，为医用软组织替代材料设计提供数据支撑。

试验部分

本研究力学测试采用凯尔测控原位双轴力学试验系统，设备四通道独立闭环控制，正交双向独立加载，位移分辨率可达 0.1 μm，支持等比例 / 非等比例双轴加载方案，可搭配 DIC 非接触应变测量模块，全程同步采集面内全场应变云图，适配水凝胶这类软质、大变形材料测试。

水凝胶试样裁剪为十字形双轴标准试样，试样边缘采用柔性夹持方案，避免夹持端应力集中提前断裂。试验前完成夹具对中校准，消除双向加载耦合干扰；试样表面喷涂微细散斑。设置 3 组不同双向载荷比例，分别开展双轴匀速拉伸试验。加载过程中，凯尔测控原位双轴系统同步采集 X、Y 方向载荷与位移数据，DIC 系统实时捕捉水凝胶表面应变分布，记录微裂纹产生、扩展过程。当试样发生撕裂失效时终止试验。每组条件重复 4 次平行试验。基于试验机输出的载荷 - 位移数据与 DIC 应变场，计算双轴弹性模量、泊松比、断裂临界应变，分析双向应力耦合作用下水凝胶的各向异性形变规律。