EXPERIMENTAL PROTOCOL
水凝胶溶胀率与质量损失率测定操作指南
简要摘要
采用重量法，测定水凝胶浸泡前后的湿质量和干质量，评价材料的吸水能力与固体质量保留情况。
本教程采用纯水作为浸泡介质，设置 37 ℃、静置条件，适用于能够完整取出、经冷冻干燥后可以复水的块状水凝胶。
实验使用独立终点取样：每个时间点取出一组样品，先称湿质量，再冷冻干燥并称量剩余干质量。
全文给出的时间、样品尺寸及质量控制阈值属于教学起始条件。正式比较材料前，先用少量样品确认条件适用。
本方法得到的是指定条件下的溶胀和可回收固体质量损失。用于评价生理环境中的稳定性时，需要另外建立缓冲液、酶或其他介质条件下的测定方案。
01引言
1.1 背景知识
水凝胶由亲水高分子网络和水构成。
浸入水中后，水进入网络，材料的质量和体积随之变化。网络结构、交联程度、温度和介质组成都会影响这一过程。
水含量也会影响材料的力学表现。相关研究将水凝胶的吸水状态与弹性性质联系起来，说明溶胀测量能够为理解材料性能提供基础信息。
在敷料、药物载体和组织工程材料研究中，吸水能力和质量稳定性都是常用的基础指标。
本实验的教学价值在于：用同一块样品的初始干质量、浸泡后湿质量和剩余干质量，把吸水与固体流失分别量化。
1.2 实验目的
测定不同浸泡时间下的水凝胶质量溶胀率，观察吸水过程。
测定对应时间点的干质量损失率，观察可回收固体质量的变化。
掌握恒重判定、表面液体去除、称量记录和归一化计算方法。
识别操作误差与材料变化，形成可以复查的原始记录。
预期获得两组随时间变化的数据：质量溶胀率和质量损失率。
具体数值由材料决定。稳定样品在短期内出现接近零的质量损失，也是有效结果。
1.3 实验原理
定义同一块样品的三个质量：
m₀：浸泡前、达到恒重的干质量。
m_w,t：浸泡至时间 t，去除表面游离水后的湿质量。
m_d,t：同一块样品在湿质量测定后，经干燥达到恒重的剩余干质量。
质量溶胀率按下式计算：
St = ( mw,t − m0 ) ÷ m0 × 100%
该数值反映相对于初始干质量的净增重。
质量损失率按下式计算：
Lt = ( m0 − md,t ) ÷ m0 × 100%
质量保留率按下式计算：
Rt = md,t ÷ m0 × 100%
因此：
Lt + Rt = 100%
提示
这里有一个容易忽略的地方：材料一边吸水，一边也可能流失固体。
当质量损失明显时，St 同时受到吸水与固体流失的影响。
此时可以补充计算剩余固体的吸水比：
Qt = ( mw,t − md,t ) ÷ md,t
Q_t 的单位为 g/g，表示每克剩余干物质对应的水质量。
将本教程中的质量损失理解为“在规定回收方式下，样品干质量的减少”。可溶组分释放、网络解体和碎片脱落都可能贡献这一结果；化学键断裂需要另外的证据支持。
02材料
2.1 试剂
本基础方案仅使用纯水作为实验介质。优先使用当天制备的超纯水，全程使用同一来源的水。
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规格或质量要求
来源与目录号 实验室超纯水系统；记录设备编号 配制与保存 直接取用；洁净容器密闭；当天使用 |
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规格或质量要求
来源与目录号 Sigma-Aldrich，W4502 配制与保存 直接使用；保存条件遵循瓶签及批次文件 |
W4502 为经处理的分子生物学用水，厂家说明其由双蒸和去离子水制备。它与表中按电阻率定义的超纯水属于不同的质量描述，选择后应保持全组一致。
使用商品水时，记录开瓶日期、批号和瓶签储存要求。
本教程对当天分装的工作用水采用“当天使用”的管理规则。
提示
保持介质配方简单，避免额外加入缓冲盐、防腐剂或抗生素。
这些添加物可能进入凝胶并留在最终干质量中，改变测定结果。
2.2 耗材
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建议规格
数量或用途 每块样品独立使用 1 个 |
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建议规格
数量或用途 每块样品固定使用 1 个；确认适用于冻干设备 |
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建议规格
数量或用途 承托样品，减少夹伤 |
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建议规格
数量或用途 去除表面游离水 |
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建议规格
数量或用途 加入浸泡介质 |
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建议规格
数量或用途 制备尺寸一致的圆片 |
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建议规格
数量或用途 检查样品直径和厚度 |
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建议规格
数量或用途 标记批次、时间点及样品编号 |
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建议规格
数量或用途 常规操作防护 |
使用实验室现有合格耗材即可。
在原始记录中补入实际供应商、目录号和批号，尤其记录吸水纸和称量容器的来源。更换吸水纸可能改变吸液速度。正式实验期间保持耗材一致。
2.3 仪器设备
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最低配置或建议设置
使用前确认 完成预热、水平调整和校准；确认实际最小称量量 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 用独立温度计核对样品区温度 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 确认温度及样品容器耐低温性能 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 检查冷阱、真空、密封和维护状态 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 确认密封良好，干燥剂有效 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 与记录设备时间同步 |
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最低配置或建议设置
使用前确认 固定拍摄距离、背景和比例尺 |
在记录首页填写仪器生产商、型号、设备编号和校准日期。
这里按性能要求选择仪器。具体型号与设备程序由现场设备决定，尤其是冻干程序，应采用经过设备负责人确认的水性样品程序。
2.4 生物材料
使用已经完成制备、清洗和固化处理的无细胞水凝胶。
优先选用在纯水中保持块状、能够完整转移的共价交联水凝胶。
本教程从“接收合格水凝胶样品”开始。样品合成及残余单体去除按其制备规程完成。
记录聚合物种类、配方、交联条件、清洗方法、制备日期和批次。
研究清洗后的网络稳定性时，将初始干质量定义为清洗完成后的干质量。清洗前释放的组分属于样品预处理范围。
本方案使用无细胞材料，无需安排细胞培养或动物操作。
含细胞、组织、血液、药物、无机填料或大量盐分的复合凝胶，应另行建立质量归属和样品处理方法。
03实验步骤
确定取样时间与样品数量
确定取样时间为 0.5、2、6、24、48、72 h。
每种材料准备至少三个独立制备批次，每个批次在每个时间点提供一块样品。
这样，每种材料需要：
6 个时间点 × 3 个批次 = 18 块正式样品
准备预实验与短时处理对照
另外准备三块预实验样品，以及三块短时处理对照样品。
短时处理对照用于检查复水、转移和再次冻干后是否出现明显质量变化，具体操作见 3.2。
记录批内重复与报告口径
同一批凝胶切成的多块样品属于批内重复。
报告时应同时写明独立制备批次数和每批取样数。
统一编号与三质量同行记录
采用 A-B1-24h 这样的编号，分别表示材料、制备批次和终点。
把同一块样品的初始干质量、终点湿质量和终点干质量放在同一行记录，避免后期配错。
一样品一终点
每块样品只经历一个正式浸泡终点。
完成湿质量称量后，直接进入终点干燥流程。
以下操作按时间先后执行。文中的“确认标准”用于决定能否进入下一环节。
接收并检查样品
选择直径约 10 mm、厚度约 2 mm 的湿态圆片。
采用相同模具与成型条件，尽量控制初始尺寸差异在目标值的 ±10% 以内。
用带刻度背景拍照，记录气泡、裂纹、边缘缺损和明显厚度差异。
使用平头取样铲承托柔软样品。
保持凝胶自然形状，轻柔转移。
提示
这一步动作慢一点，后面的数字会省心很多。
确认标准 样品编号清楚、外形基本一致，能够完整转移。
完成少量预实验
至少24小时浸泡并另加干燥时间
按后续相同流程处理三块预实验样品，观察冻干后复水是否完整。
在 37 ℃、每块 10.0 mL 纯水条件下浸泡至少 24 h。
检查样品是否快速溶解、严重碎裂、黏附容器，或者膨胀后明显挤压容器壁。
同时试做表面吸水操作，确认吸水纸接触后能够自然分离。
若样品需要镊子夹紧才能取出，优先换用平头取样铲或更宽口容器。
确认标准 样品能够完整回收，浸泡空间充足，表面处理过程可重复。
对 72 h 终点可能失去完整性的材料，延长预实验至相应终点。
建立初始干质量
将每块样品放入独立、已编号的耐低温称量瓶。
先记录空瓶质量 c₀，称量时采用固定配置，例如始终连同配套瓶盖一起称量。
将样品在 −80 ℃ 预冻至少 4 h，并确认完全冻结。
对于本教程所用的小尺寸圆片，可将 24～48 h 作为第一次冻干检查的时间窗口。
实际结束时间由恒重结果决定。
警示
取放低温样品时佩戴隔热手套；冻干时保持样品容器与真空系统连通。按设备规程使用通气盖或规定的开口方式。
冻干结束并按规程恢复常压后，立即盖好样品瓶。
置于干燥器中约 30 min，待容器恢复至室温，再称量瓶与样品总质量。
扣除对应空瓶质量，得到第一次干质量。
继续冻干至少 4 h，按相同方法平衡和称量。
本教程采用以下恒重检查条件：
| m2 − m1 | ≤ max( 0.05 mg，0.5% × m1 )
该阈值是教学质量控制起点，应结合天平性能和预期变化幅度调整。
对于预计仅有约 1% 质量损失的实验，需要更严格的称量不确定度评估。
将达到恒重后的最后一次质量记录为 m₀。
优先选择干质量约 10～20 mg 的样品，并确认高于天平经验证的最小称量量。
同组样品干质量差异较大时，回查厚度、成型均匀性和干燥程度。
确认标准 初始干质量达到恒重，所有质量均已扣除各自容器质量。
检查短时处理对照
约5分钟浸泡并另加干燥时间
每个制备批次取一块额外样品，记录其初始干质量。
加入纯水后浸泡 5 min，按正式样品相同方式取出、吸除表面水、转移并再次冻干。
计算其质量变化。
这一对照同时包含短时浸出和操作过程造成的变化。
将其作为方法检查数据单独报告。
若出现超过称量波动的明显损失，检查残余可溶组分、转移损伤及样品黏附情况，再启动正式比较。
预热介质并启动浸泡
向每个带盖浸泡容器加入 10.0 mL 同来源纯水。
另外设置三个仅含 10.0 mL 纯水的介质空白容器，用于观察蒸发、浑浊和外来污染。
在 37.0 ± 0.5 ℃ 下预热约 30 min。
将干燥样品逐块放入介质，记录实际入水时间。
每放入一块样品，间隔约 60 s 再放入下一块，给终点称量留出操作时间。
确保样品完全浸没，周围有足够自由膨胀空间。
轻轻晃动容器，使表面附着的大气泡脱离，然后静置培养。
保持容器加盖。
采用静态、不换液条件完成本次 72 h 教学实验，并在结果中注明这一条件。
确认标准 每块样品独立浸泡，计时起点明确，容器内液体充足。
若预实验显示膨胀后的凝胶占据明显比例的介质体积，应统一增加介质量，并在正式实验前锁定用量。
取出终点样品
按各样品的实际起始时间计算终点。
记录 0.5、2、6、24、48、72 h 对应的实际取出时刻。
先拍照，记录完整性、颜色变化、裂纹和可见碎片。
用平头取样铲轻柔托起样品，在容器上方自然沥液 10 s。
观察工具边缘和容器底部，确认有无凝胶残留。
完整取出的样品进入湿质量测定。
出现明显碎裂或持续黏附的样品，单独标记“回收方式失效”，保留容器和照片，按第 5 节处理。
去除表面游离水并称湿质量
将样品一面轻放在干燥的无尘吸水纸上，接触 2 s。
翻面，在吸水纸的新位置接触 2 s。
让边缘接触新的干燥位置约 1 s，带走挂在边缘的水滴。
保持样品自身重量，避免额外按压。
按“沥液 10 s、两面各接触 2 s、边缘接触 1 s”统一执行。
这组时间要在预实验中确认适用，并在正式实验中保持一致。
提示
唰一下把表面水带走就够啦，反复擦拭会增加操作差异。
观察样品表面，确认可见挂滴已经去除。
立即转入已称量、已编号的终点称量瓶，盖好盖子。
在表面处理完成后尽量于 30 s 内完成封盖，随后读取总质量。
扣除对应容器质量，记录为 m_w,t。
若样品仍有可见大水滴，记录异常并检查预实验的吸水流程。避免对个别样品临时增加很多次吸水操作。
确认标准 样品完整、表面无明显挂滴、处理时间一致，湿质量读数稳定。
测定剩余干质量
将湿质量测定后的样品保留在同一个终点称量瓶中。
采用与初始样品一致的预冻、冻干、室温平衡和恒重检查流程。
记录终点空瓶质量 c_t、瓶加干样总质量及重复干燥后的质量。
计算剩余干质量：
md,t = m瓶加干样,t − ct
本方案采用纯水介质，终点样品直接进入干燥过程。
将额外水洗视为新增处理步骤，因为水洗可能带走可溶性组分，改变终点定义。
确认标准 终点干质量达到恒重，并与原来的 m₀、m_w,t 对应到同一编号。
整理样品并结束操作
复核每块样品是否具备三个质量值、实际时间和完整性记录。
保留异常样品的容器、照片及原始备注，直至完成数据检查。
清洁天平周边、取样工具和培养设备。
根据水凝胶成分及实验室规定收集废液、废凝胶和一次性耗材。
含有残余单体、交联剂或其他化学添加物的废弃物，按相应化学废物类别处理。
直接记录仪器显示值
称量时直接记录仪器显示值。
保留原始单位和小数位，计算时再统一换算。
建立每块样品的记录字段
建议每块样品建立以下记录：
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保存原始记录与计算文件
保存天平原始输出或手写记录的扫描件。
将计算文件与原始数据分开保存，并保留带日期的版本。
04数据分析与解释
4.1 数据处理
先检查单位，再逐块样品计算。
统一使用 mg 或统一使用 g，同一公式内保持一致。
先扣除容器质量，再进行溶胀率和质量损失率计算。
介质空白主要用于检查过程异常。容器和样品受到外来污染时，应查明原因后决定数据有效性。
以下为教学示例数据：
m0 = 20.00 mg mw,24h = 180.00 mg md,24h = 18.00 mg
则：
S24h = ( 180.00 − 20.00 ) ÷ 20.00 × 100% = 800%
L24h = ( 20.00 − 18.00 ) ÷ 20.00 × 100% = 10%
R24h = 90%
Q24h = ( 180.00 − 18.00 ) ÷ 18.00 = 9.00 g/g
这里的 800% 表示相对于初始干质量，净增重达到其八倍。
另一种文献常见写法是湿质量与初始干质量之比：
mw,t ÷ m0 = 9.00
将公式与纵坐标名称一起写出，读者才能准确理解数值含义。
在电子表格中，假设 B2 为初始干质量、C2 为湿质量、D2 为终点干质量，可输入：
质量溶胀率，数值单位为%：
=(C2-B2)/B2*100
质量损失率，数值单位为%：
=(B2-D2)/B2*100
质量保留率，数值单位为%：
=D2/B2*100
剩余固体吸水比，单位为 g/g：
=(C2-D2)/D2
前三个公式已经乘以 100，单元格采用普通数值格式。
分别绘制溶胀率和质量损失率随时间变化的图。
显示各独立批次的数据点，同时显示均值和标准差。
初始干态的溶胀率为零，初始质量损失率也为零。图中可标注定义上的零点，并注明其属于基准值。
4.2 统计分析
将独立制备批次作为主要重复单位。
同一批次在同一时间点有多块样品时，先计算批内均值，再汇总不同批次。
三批样品可以用于教学展示和初步估计变异。正式研究的重复数应根据预实验变异和关注的差异幅度确定。
只有一种材料时，优先报告各时间点的均值、标准差和独立批次轨迹。
比较多种材料随时间的变化时，可采用包含材料、时间及二者交互项的混合效应模型，并将制备批次作为随机效应。
这种处理能够考虑同一批次提供多个时间点样品所带来的相关性。
进行预先指定的组间比较时，设置显著性水平 α = 0.05，并对多重比较采用适当校正，例如霍尔姆校正。
同时报告差值和置信区间。
统计显著性需要结合实际差异幅度、测量误差和应用需求解释。
4.3 数据解释
溶胀率上升、质量损失较小时，可以描述为“在该观察区间内，样品主要表现为吸水增重”。
溶胀率上升，同时质量损失明显时，应结合 Q_t 判断剩余网络的吸水状态。
后期湿质量下降时，检查对应干质量和完整性记录。固体流失、网络收缩及取样损伤都可能影响湿质量。
连续两个后期时间点的结果接近，可以提示体系趋于稳定。
“达到平衡”需要预先设定判据，并结合方法变异、更多后期时间点和质量损失情况判断。
记录接近零的质量损失时，说明实验的称量分辨能力。极小变化应谨慎解释。
纯水中的结果用于表征该介质条件下的材料行为。
纯水的离子组成、渗透环境和酸碱度控制与体液条件存在差异，因此生理环境适用性需要补充实验。
本流程还包含一次初始冻干及复水处理。所得结果对应经过该处理的样品；原始湿凝胶的性能需要单独评价。
05故障排除
5.1 常见问题
常见异常包括湿质量离散较大、冻干后质量持续下降、计算得到负的质量损失率，以及样品碎裂后难以回收。
发现异常时，先查对应样品的原始记录和照片。
保留原始数值，再补充原因及处理决定。
5.2 解决方案
湿质量差异明显
检查样品尺寸、初始干质量、沥液时间、吸水纸批次及封盖时间。
观察高值样品是否残留水滴，低值样品是否经历了额外按压或长时间暴露。
在预实验中统一操作节奏，并由同一操作者完成一轮比较。
发现某次操作明显偏离方案时，将该点标记为技术异常，按预先规定的规则处理和补做。
干质量始终达不到恒重
检查样品是否完全预冻，冻干机真空及冷阱是否正常，容器是否存在阻碍水汽逸出的情况。
继续按固定间隔干燥和称量。
检查干燥器密封、干燥剂状态，以及称量前的室温平衡时间。
缩短干样暴露于室内空气的时间，称量时保持容器封盖配置一致。
质量损失率出现负值
检查初始和终点称量时是否使用了正确的空瓶质量。
检查终点样品是否仍含水，是否混入纸纤维、灰尘或其他残留。
核对样品编号和单位换算。
接近零的小幅负值可能处于测量不确定度范围内，应保留原始结果并说明。
明显负值应完成原因排查后再进入组间分析。
样品碎裂或黏在容器上
立即记录碎裂情况和可见残留，保存浸泡液。
将该终点标记为当前完整样品回收法的适用性问题。
零散碎片能够全部回收时，记录回收方式；细小碎片无法可靠回收时，质量损失中包含回收损失。
后续实验可采用经过验证的网篮或过滤回收方案，并记录孔径、空载质量、回收效率和材料吸附情况。
采用网篮时，还需确认其提供足够自由膨胀空间，外部约束可以改变水凝胶的溶胀表现。
浸泡液出现浑浊
比较样品容器与介质空白。
观察浑浊是否伴随可见颗粒、膜状物或异常气味，并结合材料成分判断可能来源。
怀疑微生物污染时，隔离相关样品，按实验室规定处理。
重新使用洁净容器和新鲜介质，并检查样品储存及转移过程。
改用缓冲液后，终点干质量偏高
检查缓冲盐是否残留在凝胶内部。
冻干会去除水，溶解的盐可以留在样品中。
重新建立适用于该材料的脱盐或残留校正流程，并验证该流程是否额外造成材料流失。
提示
进行首次教学实验时，固定使用同一来源纯水，完成预实验、恒重检查和统一吸水操作，再开展正式的时间点比较。
— END —