KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 结构化仿生水凝胶的制备及其功能性研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 荣明明 | |
| Thesis Advisor | 周峰 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学硕士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 水凝胶 结构化 仿生 摩擦 润滑 Hydrogel Structured Bionic Friction Lubrication |
| Abstract | 本论文综述了结构化水凝胶的研究进展，详细介绍了从宏观到微观尺度结构化水凝胶的制备策略，讨论了特殊结构的水凝胶在生物组织工程、驱动器件以及润滑材料方面的潜在应用。针对结构化水凝胶制备技术复杂，成型单一，以及凝胶性能与生物组织之间不匹配的问题，提出了新的制备结构化体相水凝胶的策略。并且系统研究了它们的组成机理、结构设计与性能调控。首先基于表面催化方法，通过一步自由基聚合制备了中空双层水凝胶管，并探索其在生物领域的功能性；其次，向传统亲水水凝胶网络引入疏水性单元，利用双亲网络的溶剂响应性，探索水凝胶力学与摩擦性能的关系；最后设计出聚电解质刷接枝的双层高强度水凝胶，实现高承载与良好润滑性能的统一。主要研究内容和结论如下： 1.多层中空水凝胶管的制备及性能研究：使用3D打印、同轴挤出和模板法制备中空水凝胶管时，存在着技术复杂、尺寸不易调控、模板不易除去等问题。这些问题给进一步模拟真实血管结构，制备多层水凝胶管带来难题，限制着水凝胶管的实际应用。本研究以高纯铁丝作为催化剂来源及模板，采用表面催化聚合方法，通过一次自由基聚合制备双层中空水凝胶管。由于预聚液粘度影响单体扩散，海藻酸钠长链与化学交联的聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）在模板表面形成梯度互穿网络。并且使用钙离子与羧基形成配位，提高水凝胶强度的同时可以使模板轻易被除去，从而形成了外层致密、内部多孔的独特双层结构的水凝胶管。梯度的结构带来了力学性能的差异。双层水凝胶管整体的拉伸强度达到0.3MPa，而内层的强度仅为0.1MPa。通过在内层管内壁种植NIH3T3和PAEC细胞证明了材料无细胞毒性且适合多种细胞的生存与增殖。在PHEMA/SA-Ca2+双层水凝胶管的基础上，通过反应单体扩散与再引发，制备出了新型三层结构水凝胶管。 2.双亲网络结构水凝胶的制备及性能研究：凝胶网络优异的水合能力赋予了材料出色的润滑性能，但是过度的水化往往会破坏凝胶的机械性能，限制其在生物替代组织工程中的应用。为了方便调控水凝胶在溶剂中溶胀度的变化，本研究将疏水PMMA聚合物引入亲水的GO-PAAc的凝胶网络中。使用DMF/H2O作为溶剂，采用一步自由基聚合得到了两亲性GO-PAAc-PMMA复合水凝胶材料。由于向聚合物网络中引入疏水微区，形成了除共价交联和氢键之外的第三种物理交联点，水凝胶的机械强度明显提高，并使水凝胶适用于摩擦实验当中。之后系统探究了双亲水凝胶溶胀性能与摩擦行为之间的关系，发现DMF/H2O溶液的组分和复合凝胶中亲疏水链比例都会对复合水凝胶的溶胀性能和摩擦行为造成明显的影响。综合分析，材料的摩擦性能与力学强度之间的关系成反比，即低摩擦来自于高溶胀度的水凝胶样品，但同时其储能模量也较低，反之，高模量的材料摩擦系数则会变大。通过改变溶剂、组分等方法可以调控凝胶的机械强度和摩擦系数之间的平衡，使其实现不同溶剂环境下的摩擦响应。 3.层状结构高强度水凝胶的制备及性能研究：受关节软骨双相结构的启发，从水凝胶的亚表面引发聚合聚电解质刷，从而实现聚合物刷与水凝胶的复合，制备出了疏松的表层和致密基底配合的双层高强度水凝胶，实现高承载与低摩擦的统一。将ATRP引发剂BrMA引入高强度水凝胶的聚合物网络，ATRP反应溶液通过扩散与水凝胶亚表面的BrMA接触，从凝胶的亚表面开始引发聚合。分别接枝PSPMA和PSBMA聚合物刷，向外生长的聚合物刷与表层水凝胶网络复合形成多孔复合层。由于聚电解质及两性聚合物刷拥有出色的水合能力，且上层为多孔结构，赋予了材料优良的润滑性能；同时基底为致密的双交联网络结构材料，具有优异的承载能力，可以承受高达15MPa的压缩应力。以纯水作为润滑剂，该双层水凝胶可在高达10MPa的接触应力下保持极低的摩擦系数，并且材料的摩擦性能也受到载荷、频率等摩擦条件的影响。双层水凝胶在10N的载荷下，承受50000次的往复摩擦后还保持着较低的摩擦系数，其表面依旧存在清晰的结构。这种高承载，低摩擦与优异抗磨损性能结合的双层水凝胶的设计为以后关节软骨替代材料的制备提供了新的思路。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25278 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 荣明明. 结构化仿生水凝胶的制备及其功能性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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