力学增强型水凝胶纤维的制备及其生物相容性评价

针对天然水凝胶纤维力学性能及成形性能差的问题,结合微流控和光交联的方法,高通量制备了一种力学增强型海藻酸钠/明胶甲基丙烯酸酯复合水凝胶材料。研究了微流控喷头尺寸、水凝胶单体浓度对水凝胶纤维成形性能、水凝胶力学特性及结构特征的影响。结果表明:制备的水凝胶纤维边缘光滑,直径(390±50μm)较为均一,具有良好的操作性及可控性;随着海藻酸钠和明胶甲基丙烯酸酯单体浓度的增高,水凝胶弹性模量升高,SEM结果显示其片层微结构更为致密。进一步测试了水凝胶纤维的生物相容性,细胞实验结果表明,培养至第5天时,水凝胶中细胞的存活率稳定维持在80%以上,证明所制备的水凝胶具有良好的生物相容性,适宜细胞生长。动物实验结果表明,当凝胶植入动物体内1周后,周围的皮下组织很正常;在第3周时,凝胶周围的炎症反应明显减轻,材料也出现一定程度的降解。研究力学增强型海藻酸钠/明胶甲基丙烯酸酯复合水凝胶,有望于实现三维肌肉微组织模型的高通量构建。

纤维素基水凝胶的溶胀动力学研究

以纤维素为骨架,丙烯酸(AA)为单体,采用接枝共聚方法在85%磷酸溶液反应介质中合成了pH值敏感水凝胶(C-g-AA)。主要研究了C-g-AA水凝胶的pH值敏感性及在不同pH值溶液(pH值分别为1.15,6.86,11.05)中的溶胀可逆性和溶胀动力学行为,并与在去离子水中的溶胀行为进行对比。结果表明,C-g-AA水凝胶的溶胀比随着凝胶中AA组分的增加而增加,最高可达73%;水凝胶溶胀具有明显的pH值敏感性,当pH值>7时达到溶胀平衡,水凝胶对pH值的溶胀可逆性良好;不同pH值溶液中的溶胀动力学表明,溶胀初期水分子在水凝胶中的扩散行为可用non-Fickian扩散定律来描述,整体溶胀行为满足Schott二级动力学方程,而在去离子水中,水凝胶溶胀初期的扩散特征指数同样保持稳定,但整体溶胀行为却不遵循Schott二级动力学方程。

高力学强度羟乙基纤维素/聚丙烯酸复合水凝胶的制备

利用丙烯酸(AA)单体自由基聚合的方法,将羟乙基纤维素(HEC)作为大分子交联剂,引入聚丙烯酸(PAA)水凝胶中,制备了一种具有氢键交联网络结构的羟乙基纤维素/聚丙烯酸(HEC/PAA)复合水凝胶。当HEC质量分数(以水凝胶固含量计)为20.0%、33.3%、42.9%、50.0%和55.5%时,制备的复合水凝胶分别标记为HEC/PAA-1~HEC/PAA-5。采用力学测试和红外光谱(IR)等手段对水凝胶的性能和结构进行了研究。力学测试结果表明:相比于PAA水凝胶较弱的机械性能,复合水凝胶HEC/PAA-2的压缩强度能达到9.52 MPa,对应的压缩断裂应变为91%,压缩断裂能量达到了513.6 kJ/m^3;同时,HEC/PAA水凝胶还表现出了优异的拉伸性能与可恢复性能,HEC/PAA-4的拉伸断裂应力为224.3 k Pa,断裂伸长率为198%,拉伸断裂能量为219.5 kJ/m^3。HEC/PAA-2溶胀150 h时的吸水溶胀率为2.23 g/g。以上结果表明:HEC/PAA复合水凝胶具有的优异力学性能可能源于PAA大分子与HEC大分子之间的氢键作用,它构成了复合水凝胶特殊的网络结构。

羧甲基纤维素水凝胶生物降解动力学研究

用氯化铝对羧甲基纤维素进行交联,制得了水凝胶.考察了底物浓度、酶浓度以及降解温度对该水凝胶降解速率的影响,探讨了酶降解动力学及“表观”活化能对酶浓度的依赖关系.结果表明,该酶促反应最佳温度为37℃,降解反应对底物浓度和酶浓度的反应级数分别为1级和1.2级;得到了与传统的Michaelis—Menten动力学机制不同的非均相酶促反应动力学模型,确定了“表观”活化能与酶浓度之间的定量关系.

高力学强度羟乙基纤维素/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备

通过自由基聚合一步合成了羟乙基纤维素/聚丙烯酰胺(HEC/PAM)复合水凝胶,这种水凝胶具有优异的拉伸性能和压缩性能,可能源于PAM链与HEC链之间的氢键相互作用。经测试,HEC/PAM复合水凝胶可被拉伸至原尺寸的24倍,对应的拉伸断裂应力为113kPa;90%压缩形变对应的压缩强度达0.87 MPa;水凝胶的最大压缩形变达95%以上。同时,HEC/PAM水凝胶还表现出了优异的可恢复性能。因此,HEC/PAM复合水凝胶在生物医药领域有潜在的应用价值。

温敏性纤维素/聚N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶的固体核磁共振表征及动力学研究

利用半互穿网络方法将具有温度响应的高分子聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)与天然纤维素复合得到温敏性水凝胶.通过固体核磁共振的1H,13C CP/MAS(交叉极化/魔角旋转)和QCP(定量交叉极化)等实验手段对复合凝胶的结构进行了定性及定量研究,并利用固体静态变温核磁共振实验和偶极滤波-自旋扩散实验研究了复合凝胶中PNIPAM分子链段的动力学行为.

聚丙烯酰胺/玄武岩纤维复合水凝胶的制备及性能

近年来,玄武岩纤维因其高强度、耐高温、优良的耐候性以及良好配伍性等优势,近年来被尝试用于改性PAM水凝胶体系以提升其力学性能。然而,现有改性方法易于受到外界长时间作用力的破坏,从而严重影响水凝胶功能的发挥。为解决这一问题,通过γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)与玄武岩纤维(BF)反应,制备含双键修饰的BF(BF-TMSPMA)。将丙烯酰胺(AM)与BF-TMSPMA混合后进行反应,制备BF改性的聚丙烯酰胺复合水凝胶(PAM/BF-TMSPMA)。BF-TMSPMA改性后,复合水凝胶的力学性能得到明显提高。当BF-TMSPMA浓度为1mg·mL^(-1)时,复合水凝胶拉伸强度为40.1±5.4 kPa,为PAM水凝胶的12.8倍;复合水凝胶断裂伸长率为2700.2%±25.8%,为PAM水凝胶的5.4倍;复合水凝胶杨氏模量为45.8±3.4 kPa,为PAM水凝胶的12.7倍;复合水凝胶韧性为450.4±14.8 kJ·m^(-3),为PAM水凝胶的30.6倍。复合水凝胶也具有良好的自修复性能,切断的水凝胶自修复后断裂伸长率达2217.2%±31.6%,拉伸强度为18.6±5.6 kPa。复合水凝胶可用于孔雀石绿染料吸附分离,吸附效率可达98.2%,吸附3 h即可达到饱和。

玉米壳纤维增强壳聚糖基水凝胶应用于软骨组织工程支架的潜力

背景:如何增强水凝胶的力学性能是软骨组织工程领域的一个研究热点。课题组前期采用柠檬酸对壳聚糖水凝胶进行改性,显著提升了改性后的水凝胶在湿态下的拉伸和压缩力学性能。目的:观察用天然玉米壳来源的纤维素纤维增强柠檬酸改性壳聚糖水凝胶的力学提升效果,以及其作为软骨组织工程支架的潜力。方法:采用冷冻-解冻法分别制作柠檬酸改性壳聚糖水凝胶与纤维素纤维/柠檬酸改性壳聚糖复合水凝胶(其中纤维素纤维与柠檬酸改性壳聚糖的质量比分别为1∶1和2∶1),表征这些水凝胶的结构与力学性能。将兔软骨细胞接种于3种水凝胶表面,通过活死细胞染色、CCK-8检测、扫描电镜等方法分析水凝胶的细胞相容性,通过胶原免疫荧光染色与糖胺聚糖定量检测分析水凝胶促软骨细胞功能表达的能力。结果与结论:①随着纤维素纤维加入比例的增加,柠檬酸改性壳聚糖水凝胶的孔隙率、平衡溶胀率、降解速率逐渐降低,干态或湿态下的抗压强度、杨氏模量逐渐升高;②活死细胞染色显示,接种7 d后软骨细胞在3种水凝胶表面增殖良好;③CCK-8检测显示,随着纤维素纤维加入比例的增加,柠檬酸改性壳聚糖水凝胶中的细胞增殖逐渐降低;④扫描电镜观察显示,柠檬酸改性壳聚糖水凝胶上的软骨细胞保持椭圆形,呈单个、稀疏地分布在水凝胶片层表面;在纤维素纤维/柠檬酸改性壳聚糖复合水凝胶上的软骨细胞多数呈完全铺展的形貌;⑤接种28 d后,随着纤维素纤维加入比例的增加,柠檬酸改性壳聚糖水凝胶上软骨细胞的Ⅰ型胶原表达逐渐降低,Ⅱ型胶原表达逐渐升高,而糖胺聚糖含量无明显变化;⑥结果表明,纤维素纤维/柠檬酸改性壳聚糖复合水凝胶具有较好的机械强度,有作为软骨组织工程支架的应用潜力。

天然纤维素/PVA复合水凝胶的形成机理及力学性能研究

为提高聚乙烯醇(PVA)水凝胶的力学性能,利用Na OH/尿素溶剂,通过物理交联循环冷冻-解冻法,制备了α-纤维素(α-CE)/PVA复合水凝胶。红外光谱,扫描电镜结果表明α-CE与PVA水凝胶基体形成互穿交联网状结构。研究发现α-CE与PVA分子链上的羟基间所形成的氢键使两者牢固结合。力学性能测试表明,复合水凝胶的力学性能得到了大幅度提高,当α-CE含量为4%(wt)时,复合水凝胶的拉伸强度以及在压缩型变量60%下的压缩应力分别由0.09和0.07 MPa提高到0.64和0.52 MPa,比纯PVA水凝胶提高了611%和643%。此外发现,α-CE能明显增强PVA水凝胶的弹性及压缩后的形变回复能力。

新型半纤维素基磁性水凝胶的制备及性能

采用H2O2-Vc氧化还原体系引发半纤维素衍生物,以表面修饰的Fe3O4粒子作为磁性组分,利用接枝共聚方法制备了新型半纤维素基磁性水凝胶.分别用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对水凝胶的结构及形貌进行了表征,利用X射线衍射(XRD)和振动样品磁强计(VSM)对水凝胶的晶型结构及磁性能进行了分析,发现Fe3O4粒子均匀分散在凝胶网络中,半纤维素基磁性水凝胶表现出良好的顺磁性.考察了丙烯酸/半纤维素比例、Fe3O4粒子含量及交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响,并探讨了该水凝胶的溶胀机理,它在pH 8缓冲溶液中的溶胀较好符合Fickian和Schott动力学模型.通过SEM和溶胀性能分析表明,随着pH值的升高水凝胶的孔径增大,水凝胶的溶胀率逐渐增大.制备的水凝胶被用于溶菌酶吸附研究,结果表明磁性凝胶的吸附量大于非磁性水凝胶,水凝胶的吸附行为符合Freundlich和Temkin等温模型.

芦苇半纤维素基水凝胶的制备及对重金属离子的高效吸附

以芦苇半纤维素为基材,丙烯酸(AA)为单体,N,N,N',N'-四亚甲基乙二胺(MBA)为交联剂,通过自由基聚合法制备出水凝胶材料,采用FT-IR对其结构进行表征,并考察了AA和+MBA用量、pH值、吸附时间和金属离子初始质量浓度对水凝胶吸附Pd2、Cd2+和Zn2+性能的影响,同时探讨了水凝胶对金属离子的吸附动力学和吸附机制。结果表明,AA用量、MBA用量和pH值对水凝胶的吸附性能均有较大影响,水凝胶对金属离子的吸附量随着pH值的增加而增大,1.0 g半纤维素中添加0.1 g MBA,9 g AA制得的水凝胶可在60 min内达到吸附平衡,金属离子溶液初始质量浓度为200 mg/L,Pb2+溶液pH值5.5,Cd2+、Zn2+溶液pH值6.5时,对Pd2+、Cd2+和Zn2+的最大吸附量可达699、521和265 mg/g。水凝胶吸附金属离子过程属于离子交换机制,吸附行为符合动力学准二级模型和Langmuir方程,该水凝胶经过吸附-解吸8次循环后,对金属离子仍有较高的吸附效率,Pd2+、Cd2+和Zn2+的吸附量仍达616、479和243 mg/g,回收率分别为96.7%、97.1%和97.6%。

磁性羧甲基纤维素基水凝胶的制备及其对Cu^2+的吸附行为

以羧甲基纤维素、β-环糊精和Fe3O4粒子为主要原料,采用接枝共聚法,制备了具有高吸附性能的磁性羧甲基纤维素基水凝胶(MHG)。采用FTIR、SEM等手段对MHG的物化结构进行了表征,用静态吸附的方法研究了MHG在不同温度和不同Cu^2+溶液质量浓度中的吸附行为,采用准一阶方程、准二阶方程对其吸附过程进行拟合。结果表明:MHG对蒸馏水的吸水量可高达5767 g/g,具有超优良的吸水效果。在不同质量浓度的Cu^2+溶液中,吸附量随着Cu^2+溶液质量浓度的升高而增多;当吸附温度为20~40℃时,MHG对Cu^2+的吸附量在吸附初期随着吸附温度的升高而增加,后期吸附量随吸附温度的增加变化不大。MHG对Cu^2+的最高吸附量可达465 mg/g,是一种优良的重金属离子吸附剂。

纳米纤维素晶体-聚乙烯醇水凝胶的制备及性能表征

通过冷冻-解冻的方法制备了纤维素纳米晶体(CNC)-聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶。考察了CNC含量对PVA水凝胶力学性能、溶胀行为、热性能及内部形貌结构的影响。研究结果表明,CNC的加入可大幅提升PVA水凝胶的力学性能,m(CNC)/m(PVA)=1%的CNC-PVA水凝胶的拉伸强度、杨氏模量与断裂伸长率,分别较纯PVA水凝胶提升了60%、110%和70%。此外,CNC还促进了PVA水凝胶的溶胀,使溶胀平衡时间缩短,溶胀度增加。

CMC/PNIPAAm半互穿网络水凝胶的溶胀动力学研究

以羧甲基纤维素钠(CMC)和 N 异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)为原料,制备了具有温度和 pH敏感性的半互穿网络 (CMC/PNIPAAm semi IPN) 水凝胶,并研究了水凝胶在不同温度和pH值条件下的溶胀行为。结果表明:在弱碱性(pH=7.4)条件下,凝胶的溶胀速率和溶胀度都随着凝胶中 CMC含量的增加而增大;而在酸性(pH=1.0)条件下则相反。在弱碱性条件下,水分子在凝胶中的扩散行为都可用 non Fickian扩散来描述,水分子在凝胶中的扩散系数D随着凝胶溶胀速率的增大而增大;在酸性条件下,20℃时凝胶的溶胀过程符合non Fickian扩散规律,而37℃时凝胶的溶胀过程符合Fickian扩散规律,但水分子的扩散系数 D相差不大。

氧化微纤化纤维素/海藻酸钠/胶原复合水凝胶的研究

以胶原、海藻酸钠和氧化微纤化纤维素为原料制备了氧化微纤化纤维素/海藻酸钠/胶原(OMFC/SA/Col)复合水凝胶。用红外光谱、扫描电镜分析了复合水凝胶的结构和形貌,通过接触角和压缩试验研究了其亲水性和力学性能。结果表明:OMFC和胶原间发生了席夫碱反应;复合水凝胶在20%应变时的压缩应力可达0.45MPa,可满足软骨浅表层的要求;其应变可达90%以上,韧性好;其亲水性好,OMFC含量对其亲水性影响不大。

液相放电对纤维素基水凝胶吸附重金属离子性能的影响

为了研究辉光放电电解等离子体(GDEP)的放电参数对所合成的纤维素基水凝胶材料吸附重金属离子性能的影响,采用不同的放电电压和放电时间制备了一系列纤维素基水凝胶材料,通过浸泡、恒温震荡、乙二胺四乙酸(EDTA)滴定实验检测了水凝胶对重金属离子的吸附能力,利用准2级动力学模型和朗缪尔(Langmuir)等温方程描述了不同放电参数下制得的水凝胶吸附重金属离子的吸附动力学。研究结果表明:不同放电电压和放电时间对纤维素基水凝胶吸附重金属离子的吸质比有较大影响;纤维素基水凝胶对重金属离子的吸质比随着p H值的增加而增大,可在60 min时间内达到吸附平衡;吸附机制为离子交换吸附,吸附动力学可用准2级动力学模型和Langmuir等温方程描述;水凝胶经过吸附-脱附8次循环后,仍有较高的吸附效率。最终得出的结论为:在放电电压为620 V、放电时间为90 s的条件下,制得的纤维素基水凝胶对重金属离子Pd2+、Cd2+和Zn2+的最大吸质比分别可达0.597、0.425和0.168。该研究结论可以为进一步拓展液相放电技术的应用领域,处理重金属离子污染的废水提供理论依据。

酸增强CMC/AA/CB[8]/ATP水凝胶的制备及吸附性能研究

采用八元瓜环、凹凸棒黏土为双交联剂制备一种综合性能优异的羧甲基纤维素/丙烯酸/八元瓜环/凹凸棒黏土水凝胶(CMC/AA/CB[8]/ATP水凝胶),采用FT-IR、SEM技术对该凝胶结构进行表征,分析其溶胀规律,并对其力学性能以及吸附性能进行研究。结果表明:CMC与AA接枝共聚形成长链,CB[8]和ATP分别以氢键与AA结合形成致密的网络结构;CB[8]或ATP的单独加入增加了原水凝胶的弹性,其应变分别达到1800%和2300%,而CB[8]和ATP同时加入使CMC/AA/CB[8]/ATP水凝胶的抗拉强度达到了0.45 MPa;在酸性条件下,CMC/AA/CB[8]/ATP水凝胶的抗拉强度由0.45 MPa增加至1.0 MPa;其对亚甲基蓝染料的去除率可达到98.3%。该水凝胶有望成为工业染料废水处理的一种新型材料。

温度/pH双重敏感性芦苇半纤维素基水凝胶的制备与表征

通过自由基聚合反应制备出以芦苇半纤维素为基材的温度/pH双重敏感性水凝胶材料。考察不同单体丙烯酸(AA)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)摩尔比对其温度和pH的响应能力,探讨水凝胶的形成机制和消溶胀动力学行为。结果表明,四种不同单位摩尔比水凝胶均具有温度和pH双重敏感性,NIPAAm摩尔比含量高的水凝胶对温度响应更为敏感,而结构中的AA对水凝胶pH敏感行为起主要作用,消溶胀动力学符合准一级模型,消溶胀速率随NIPAAm摩尔比增加而加大。

羧甲基棉纤维水凝胶的制备与性能

采用医用脱脂棉纱布作为纤维原料,氯乙酸作为反应试剂,在碱性条件下进行羧甲基化处理,通过控制水与乙醇的质量比、氢氧化钠浓度以及氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比,得到了具有不同取代度的羧甲基棉纤维水凝胶产品。研究了反应前后棉纤维纱布在溶液中的表观形态、吸水性能以及力学性能。结果表明,羧甲基棉纤维水凝胶制备条件为:水与乙醇的质量比50/50、氢氧化钠浓度为10%以及氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比为2时,棉纤维水凝胶的取代度为0.62,吸水率为756%,吸生理盐水率为625%,干态强力为96.18N以及湿态强力为67.76N,满足了水凝胶型医用辅料对吸水性和强力的要求。

基于微流控技术的水凝胶仿生纤维的制备及其性能调控

海藻酸钙水凝胶纤维在细胞培养、药物释放等生物医学领域具有广阔的应用前景,但传统模具法或静电纺丝法制备水凝胶的效率较低、性能较差。基于微流控技术制备了连续、均一、稳定的海藻酸钙水凝胶纤维,利用电子显微镜观察其形貌和结构,并在流控过程中探究了两相流速、溶液浓度及芯片尺寸等因素对水凝胶纤维性能的影响。结果表明,纤维的尺寸和力学性能都可以利用微流控技术在一定范围内进行灵活高效的调控。