对于压缩中的高含水量水凝胶，水凝胶内部的水直接有助于水凝胶对外部负荷的响应，但同时部分水从水凝胶中排出，以改变水凝胶的体积并减少贡献。为了考虑水在构成方程中的贡献，以高含水量的PVA(聚乙烯醇)水凝胶为例，通过压缩实验测量了应力-应变关系和体积变化。通过考虑水凝胶不同方向上水的贡献差异的影响，我们推导出一个新的本构方程，可以很好地描述不同含水量的水凝胶的应力应变。结果表明，水对总应力的贡献随压缩应变的增加而增加，甚至超过聚合物，尽管排出的水在早期加载阶段降低了贡献，这很好地解释了水凝胶弹性模量在压缩和拉伸方面的差异。
聚合物水凝胶是组织工程和医学中很有前途的软材料;由可以吸收和保留大量水的连续聚合网络结构组成(Baker等人，2012;霍奇等人，2015;小林和冈，2004年;奥恩，2013 年)。对于组织工程应用，水凝胶的机械性能，尤其是其压缩性能至关重要(Curley等人，2014;戈夫曼和布亚诺夫，2017 年;海耶斯等人，2016 年;坎卡等人，2018;婷婷等人，2017 年)。水凝胶的含水量可以高于90%甚至高达99.7%(Appel等人，2012，Si等人，2017)，水是导致水凝胶在拉伸和压缩中做出不同反应的重要因素之一。含水量约80%的聚乙烯醇(PVA)水凝胶如图1所示，拉伸曲线比压缩曲线更非线性。这主要是由于拉伸过程中纤维排列的变化更大(Dong等人，2017)。即使在小变形(<5%)下，水凝胶的拉伸弹性模量(约0.15MPa)也小于压缩模量(约0.25MPa)。在如此小的变形范围内，聚合物网络的拉伸和压缩响应应该是相似的。因此，水凝胶中拉伸和压缩之间的区别仅在于水凝胶内部的水。水可以抵抗压缩，但不能抵抗张力。
水凝胶的高含水量是有助于其优异的生物相容性和活组织相似性的关键因素之一(Ovsianikov等人，2011;Van Vlierberghe等人，2011)。含水量高的水凝胶中的游离水可以在压缩下从试样中排出，这意味着即使在空气中体积也会发生变化(Frensemeier等人，2010;米利穆克等人，2001年;中村等，2001;浦山等， 2008;浦山和泷川，2012年;Vervoort等人，2005年;张等， 2017);因此，有必要测量压缩中排出的水引起的体积变化。水凝胶的大多数压缩构成是从实验中总结出现象学的(Kaufman等人，2008;科尔恰金等人，2007 年;萨森等人，2012;Święszkowski等人，2006)，而不考虑排出水的影响。Suo教授和他的团队考虑了聚合物网络拉伸和周围环境产生的亥姆霍兹自由能的变化，并提出了一组状态方程，其中包括水凝胶体积的变化(Cai和Suo，2012;法吉希等人，2014 年;洪等， 2008;洪等， 2009;洪等人，2010;李等， 2014;马科姆等人，2010 年)。在这些模型中，水的贡献与水体积的变化直接相关，这意味着水对水凝胶应力的贡献在所有方向上都是相同的。然而，当水凝胶的变形很大时，这样的假设是值得怀疑的。
要研究水的贡献，应首先测量体积变化。尽管测量从水凝胶中排出的水非常困难，但一些研究人员已经报告了实验。浦山等(2008)、浦山和泷川(2012)和Vervoort等人(2005)通过数字图像处理测量体积损失，并获得了损失量与加载速率、试样含水量和边界摩擦等一些实验条件之间的相关性。这些用数字图像方法进行的实验具有很大的参考价值，但测量水凝胶的体积变化仍然存在一些技术难点：水凝胶太软，样品可能无法保持其旋转形状，半透明可能会模糊样品边界。
本文以高含水量PVA水凝胶为例，研究了压缩作用下的体积变化行为。我们使用实验来测量单轴应力-应变关系和体积变化。体积测量使用基于数字图像的系统，其中两个相机确保样品在轴对称变形下的体积。此外，为了区分聚合物网络和水凝胶在压缩中的作用，我们推导出了一个本构方程，考虑了不同方向下水对水凝胶应力的不同贡献。该模型不仅解释了聚合物网络和水在压缩中的贡献，而且还解释了水凝胶在压缩和拉伸中的弹性模量的差异。
