對于壓縮中的高含水量水凝膠，水凝膠內部的水直接有助于水凝膠對外部負荷的響應，但同時部分水從水凝膠中排出，以改變水凝膠的體積并減少貢獻。為了考慮水在構成方程中的貢獻，以高含水量的PVA(聚乙烯醇)水凝膠為例，通過壓縮實驗測量了應力-應變關系和體積變化。通過考慮水凝膠不同方向上水的貢獻差異的影響，我們推導出一個新的本構方程，可以很好地描述不同含水量的水凝膠的應力應變。結果表明，水對總應力的貢獻隨壓縮應變的增加而增加，甚至超過聚合物，盡管排出的水在早期加載階段降低了貢獻，這很好地解釋了水凝膠彈性模量在壓縮和拉伸方面的差異。
聚合物水凝膠是組織工程和醫學中很有前途的軟材料;由可以吸收和保留大量水的連續聚合網絡結構組成(Baker等人，2012;霍奇等人，2015;小林和岡，2004年;奧恩，2013 年)。對于組織工程應用，水凝膠的機械性能，尤其是其壓縮性能至關重要(Curley等人，2014;戈夫曼和布亞諾夫，2017 年;海耶斯等人，2016 年;坎卡等人，2018;婷婷等人，2017 年)。水凝膠的含水量可以高于90%甚至高達99.7%(Appel等人，2012，Si等人，2017)，水是導致水凝膠在拉伸和壓縮中做出不同反應的重要因素之一。含水量約80%的聚乙烯醇(PVA)水凝膠如圖1所示，拉伸曲線比壓縮曲線更非線性。這主要是由于拉伸過程中纖維排列的變化更大(Dong等人，2017)。即使在小變形(<5%)下，水凝膠的拉伸彈性模量(約0.15MPa)也小于壓縮模量(約0.25MPa)。在如此小的變形范圍內，聚合物網絡的拉伸和壓縮響應應該是相似的。因此，水凝膠中拉伸和壓縮之間的區別僅在于水凝膠內部的水。水可以抵抗壓縮，但不能抵抗張力。
水凝膠的高含水量是有助于其優異的生物相容性和活組織相似性的關鍵因素之一(Ovsianikov等人，2011;Van Vlierberghe等人，2011)。含水量高的水凝膠中的游離水可以在壓縮下從試樣中排出，這意味著即使在空氣中體積也會發生變化(Frensemeier等人，2010;米利穆克等人，2001年;中村等，2001;浦山等， 2008;浦山和瀧川，2012年;Vervoort等人，2005年;張等， 2017);因此，有必要測量壓縮中排出的水引起的體積變化。水凝膠的大多數壓縮構成是從實驗中總結出現象學的(Kaufman等人，2008;科爾恰金等人，2007 年;薩森等人，2012;?wi?szkowski等人，2006)，而不考慮排出水的影響。Suo教授和他的團隊考慮了聚合物網絡拉伸和周圍環境產生的亥姆霍茲自由能的變化，并提出了一組狀態方程，其中包括水凝膠體積的變化(Cai和Suo，2012;法吉希等人，2014 年;洪等， 2008;洪等， 2009;洪等人，2010;李等， 2014;馬科姆等人，2010 年)。在這些模型中，水的貢獻與水體積的變化直接相關，這意味著水對水凝膠應力的貢獻在所有方向上都是相同的。然而，當水凝膠的變形很大時，這樣的假設是值得懷疑的。
要研究水的貢獻，應首先測量體積變化。盡管測量從水凝膠中排出的水非常困難，但一些研究人員已經報告了實驗。浦山等(2008)、浦山和瀧川(2012)和Vervoort等人(2005)通過數字圖像處理測量體積損失，并獲得了損失量與加載速率、試樣含水量和邊界摩擦等一些實驗條件之間的相關性。這些用數字圖像方法進行的實驗具有很大的參考價值，但測量水凝膠的體積變化仍然存在一些技術難點：水凝膠太軟，樣品可能無法保持其旋轉形狀，半透明可能會模糊樣品邊界。
本文以高含水量PVA水凝膠為例，研究了壓縮作用下的體積變化行為。我們使用實驗來測量單軸應力-應變關系和體積變化。體積測量使用基于數字圖像的系統，其中兩個相機確保樣品在軸對稱變形下的體積。此外，為了區分聚合物網絡和水凝膠在壓縮中的作用，我們推導出了一個本構方程，考慮了不同方向下水對水凝膠應力的不同貢獻。該模型不僅解釋了聚合物網絡和水在壓縮中的貢獻，而且還解釋了水凝膠在壓縮和拉伸中的彈性模量的差異。
