水凝胶是以水为分散介质的三维亲水聚合物网络,其最显著的性质之一是在发生溶胀或者消溶胀后发生巨大的体积变化但是外形却能够保持不变。有一些水凝胶还具有这样一个重要性质：能感知外界环境性质(如pH、温度和离子浓度)的变化而发生响应——进行溶胀或消溶胀,这种水凝胶被称为“智能”水凝胶或者刺激响应性水凝胶。凝胶体积变化的机理十分类似于高分子单链在溶剂中的尺寸变化机理。换句话说,凝胶或高分子网络在不良溶剂中塌缩,而在良溶剂中溶胀。如果溶剂的性质在不良与良之间,那么高分子网络的构象也将相应地介于塌缩和伸展两种形式之间。因此,可以通过改变溶剂的性质来实现对凝胶体积的改变。水凝胶不仅是一种智能材料,而且其质地接近生物活体组织,具有良好的生物相容性、透氧性和柔软性,这些特征使水凝胶在药物控释领域被广为应用,成为载药材料的不二选择。与传统的药物传输系统不同,可控释药系统能够提供更加持续、稳定的药物释放过程,甚至可以在特定部位释药,既延长了药物持续作用时间、减少服药次数,又能以理想的释药速度持续供药,发挥最佳药效、减少药物浪费,同时避免了人体内药物浓度过高带来的毒副作用。以水凝胶为基础的药物控释体系的释药问题具有多学科交叉的特点,是当今医疗和制药等科学领域的研究热点之一,且该课题的研究对于治疗疾病有着非常重要的现实意义。数学建模方法能揭示释药机理并有效预测药物释放行为,因此已经成为该课题的主要研究手段之一。但是,数学模型一般都是针对特定的体系才有预测作用,许多复杂体系的数学模型目前还并不完善。本工作运用数学建模与有限元模拟方法研究了中性水凝胶载药体系和聚电解质水凝胶载药体系。针对中性水凝胶体系,同时考虑了对流现象、药物分子的扩散现象以及高分子网络的溶胀现象对于释药行为的影响,建立了以两相模型为基础的释药模型,通过研究释药过程中各主要物理量的演变及药物缓控释调控因素的影响规律,从而探索了初始药物浓度非均匀分布对药物释放行为所产生的影响。对于聚电解质水凝胶载药体系,建立以三相模型为基础的释药模型并实施了有限元模拟,分别探索了离子浓度和pH对凝胶溶胀以及药物释放过程的影响。通过上述研究,揭示了水凝胶释药机理且预测了水凝胶释药过程,进而推动水凝胶作为载药体在生物医药领域的应用。