工程力学

项目概述

本项目以海藻酸钠/琼脂糖复合水凝胶为研究对象，围绕3D打印水凝胶的材料体系设计、打印工艺优化及界面粘附性能开展系统研究。针对传统水凝胶在打印过程中易塌陷、成型精度不足以及界面结合力弱等问题，项目创新提出了内部缓释Ca²⁺交联策略，实现打印过程中原位固化与结构稳定。通过调控材料配比及固化条件，兼顾了挤出流动性、打印后自支撑能力和最终固化力学性能，为复杂三维水凝胶结构的稳定打印提供了可靠基础。同时，本项目结合单轴拉伸实验与超弹性本构模型，建立了水凝胶材料在大变形条件下的力学描述，并通过搭接剪切和90°剥离实验获取界面强度及断裂能等关键参数，为界面粘附力学分析提供了实验依据。

项目创新点

本研究在材料体系设计、打印策略及界面力学分析方面具有多项创新。首先，采用海藻酸钠与琼脂糖的复合体系，实现离子交联与热响应物理凝胶的协同固化，使水凝胶在保持可打印性的同时具备良好结构稳定性。其次，引入内部缓释Ca²⁺机制，通过控制离子释放速率实现打印后的原位均匀交联，优化了层间结合与整体成型质量，避免了传统外部固化方法中出现的结构塌陷与交联梯度问题。再次，构建了实验—仿真一体化研究方法，将界面搭接剪切和剥离实验与CZM内聚区模型结合，实现界面损伤演化的定量模拟。这一方法不仅能够描述界面牵引–分离全过程，还可用于分析复杂工况下水凝胶界面失效的力学机制，为水凝胶功能化及医用敷料优化设计提供理论支撑。

项目成果及应用前景

项目成功建立了从材料设计、3D打印成型到力学表征及界面失效分析的完整研究体系，优化了水凝胶打印配方及工艺参数，实现了稳定可控的三维打印结构。在力学方面，完成了二阶Ogden超弹性本构模型的标定和应用，并获得了水凝胶与刚性基底界面剪切强度与界面断裂能等关键指标。基于CZM模型开展的有限元分析能够有效预测裂纹覆盖、受热收缩等典型工况下的界面失效行为，为后续设计优化提供了可靠工具。项目成果具有广阔应用前景，可为创伤敷料、组织工程支架、柔性生物电子器件及软体机器人等领域提供理论基础和技术支撑，尤其在提升医用水凝胶与皮肤界面结合稳定性及服役可靠性方面具有重要意义。