高强度水凝胶的制备及其研究进展

水凝胶因其拥有较高的溶胀比和极高的含水率,被广泛应用于各种领域,但力学性能较弱的缺点限制了其在组织工程、软体机器人、可穿戴电子设备等高负载领域的发展。综述了近年来纳米复合水凝胶、双网络水凝胶、大分子微球复合水凝胶、疏水缔合水凝胶等高强度水凝胶的制备方法及研究进展;讨论了各类型高强水凝胶的特点并指出了目前研究中存在的问题;同时,对高强度水凝胶未来的研究方向进行了展望。

带氢键吸附功能高强度水凝胶的制备与性能

制备了物理双交联高强度水凝胶P(Am-co-Ac-co-VDT)/Fe3+,2-乙烯基-4-6-二氨基-2-乙烯基-1,3,5-三嗪(VDT)在水中能形成的氢键实现水凝胶的第一重物理交联;Fe3+与分子链上的-COO-形成离子配位,得到第二重物理交联。通过探究氢键和离子交联的协同作用,获得了具有高的拉伸强度(4.34 MPa)和断裂伸长率(1764%)的P(Am-co-Ac-co-VDT)/Fe3+水凝胶。离子配位作用提供了水凝胶的pH敏感性;VDT含有二氨基三嗪(DAT)官能团形成的氢键使水凝胶吸附一定量的5-氟尿嘧啶(5-Fu),并在pH调整下还可以释放5-Fu,使该高强度水凝胶具有氢键吸附-释放的功能性。

高强度水凝胶的研究现状

综述了纳米复合水凝胶、滑动环水凝胶、疏水缔合水凝胶、大分子微球复合水凝胶、tetra–PEG水凝胶和双网络水凝胶等6类高强度水凝胶的研究现状及其应用情况,并探讨了高强度水凝胶的发展趋势。

丝素蛋白微纤维增强的高强度双网络水凝胶

为了解决传统水凝胶材料力学性能偏弱,无法满足组织工程中对于植入材料强度和抗疲劳性能的要求,提出一种将丝素蛋白微丝作为交联网络与线性亲水性聚合物相结合的强化思路。丝素蛋白(SF)是一种具有良好生物相容性的天然蛋白质,由物理交联的微丝具有良好的机械性能,可以作为一种理想的强化材料。将丝素蛋白微丝作为交联网络与线性亲水性聚合物相结合,通过一锅法分别合成甲基丙烯酸羟乙酯/丝素蛋白(HEMA/SF)和甲基丙烯酰胺/丝素蛋白(MAA/SF)2种高强度物理交联双网络水凝胶。经过压缩和拉伸等力学性能的表征,结果表明,强化后的水凝胶在强度上提升了5~10倍,弹性模量和能量吸收也提升了一个数量级以上,相比已有双网络水凝胶有更优秀的韧性和结构可恢复能力。

高强度水凝胶制备与表征综合型实验的开设及教学效果分析

当前高分子新材料的研究层出不穷将新的研究成果引入到本科教学工作中,将极大地提高学生对高分子学科的兴趣,有利于高分子材料学科的长远发展。高强度水凝胶是近年来高分子材料领域的研究热点.新的研究报道非常多。围绕如何加强学生对高分子化学和高分子物理课程的理解以及提高学生的科研动手能力,本课题组设计了简单易行具有特色的高强度水凝胶制备实验体系,并将其引入到本科教学工作中,本文介绍了我们新开设的高强度水凝胶制备及表征综合型实验的一点经验。

高强度聚乙烯醇/聚苯胺/聚吡咯/TiO2导电杂化水凝胶的制备与性能

本文以聚乙烯醇(PVA)、苯胺(ANI)、吡咯(Py)及钛酸丁酯(TBOT)为原料,通过溶胶-凝胶法、原位氧化聚合法及冷冻-融溶法一步得到聚乙烯醇/聚苯胺/聚吡咯/TiO 2(PVA/PANI/PPy/TiO 2)杂化水凝胶。结果表明,该杂化水凝胶具有优异的力学性能和导电性能。当n(ANI)∶[KG-*3/5]n(Py)=8∶[KG-*3/5]2(TBOT体积为100μL)时,其压缩强度高达2.45 MPa。同时,在外加电源的作用下,该凝胶能够使灯泡发光。当n(ANI)∶[KG-*3/5]n(Py)=2∶[KG-*3/5]8(TBOT体积为150μL)时,杂化水凝胶的电导率(0.25 S/m)最好。该杂化水凝胶有望广泛地应用在柔性可穿戴电子器件、安全离子电池、传感器和生物器件等领域。

离子模板交联法调控聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的可控变形行为

设计了一种通用的离子模板交联法制备了物理交联高强度聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)水凝胶,并可能通过可控的方式实现PVA/SA水凝胶的三维空间变形。对同一块水凝胶选择性交联,利用PVA/SA和PVA/SA/Fe^(3+)水凝胶具有显著的溶胀性差异的特点,通过两步法引导图案化水凝胶局部溶胀和整体弯曲,发生可控变形,得到特定的多样构型。同时,由于水凝胶网络中离子配位具有可逆性,此变形是可逆可重复的。进一步在3D打印中构建在平面梯度和厚度梯度具有各向异性的水凝胶,可实现螺旋、弯曲等可控变形。

高强度聚苯胺-聚丙烯酸/聚丙烯酰胺导电水凝胶的制备与性能

将导电聚合物引入到水凝胶网络中的导电高分子基导电水凝胶,因结合了水凝胶的三维网络结构、良好的生物相容性、优异的力学性能等和导电高分子良好电学性能等优点而被广泛研究,特别是以聚苯胺(PANI)为导电高分子的导电水凝胶。但PANI不溶于水,因此很难制备PANI基导电水凝胶。本文以制备高强度PANI基导电水凝胶为目的,尝试将PANI接枝在亲水性聚合物聚丙烯酸(PAA)上,获得能在水中均匀分散的PANI-PAA导电复合物,再使其与丙烯酰胺(AM)聚合得到高强度的PANI-PAA/PAM导电水凝胶。通过力学性能及电化学性能测试,发现该导电水凝胶具有良好的力学性能和电化学性能。当以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂时,其电导率可达4.63 S·m^(-1),可承受压缩应力1.33 MPa(压缩耗散能为85.50 kJ·m^(-3)),拉伸断裂伸长率达964%,相应的断裂强度为0.25 MPa;而以NaOH为分散剂时,凝胶的电导率可达4.19 S·m^(-1),可承受压缩应力1.13 MPa(压缩耗散能为73.45 kJ·m^(-3)),拉伸断裂伸长率达896%;相应的断裂强度为0.14 MPa。该研究为高强度聚苯胺基导电水凝胶的制备提供了思路。

高强度天然大分子凝胶制备策略及生物医用

现代医学手段多样性催生生物医用材料置换替代成为疾病缓解与治疗新方式,兼顾高生物相容性、易降解性及低生理毒性等关键指标,天然生物大分子水凝胶材料浮出水面,但该水凝胶固有的弱机械性却是其生物医学领域应用的瓶颈,为突破并解决此问题,近年相关领域科技工作者创新地开展了诸多研究,努力合成制备兼具优异力学性能和高生物相容性的医用水凝胶。本文从如何构建特殊结构网络水凝胶的崭新角度综述了强化水凝胶机械性能的混合交联、复合介质、特殊交联点三种策略途径,阐释其在生物医学领域应用潜能,提出高强度水凝胶未来仍亟待解决的关键技术问题,为新型高强度天然大分子水凝胶研究制备及广泛应用提供有益参考。

高性能智能水凝胶及其在医学中的应用现状

高性能智能水凝胶是指近代发展迅速、经过改进传统智能水凝胶所存在的缺点的新型智能水凝胶,主要包括高机械强度型、能快速响应型、受损后自愈合型及可自行生物降解型智能水凝胶。本文将分类介绍近年具有这些智能特性高性能水凝胶的研究与医学应用现状。

多重氢键增强的带乙烯基二氨基三嗪水凝胶的记忆性能与药物的选择吸附

制备了多重氢键增强的水凝胶聚(丙烯酰胺-co-2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪)/单宁酸(P(Am-coVDT)/TA)。通过对力学性能、微观形貌和红外光谱的测试和分析,发现TA通过氢键交联了水凝胶,使其结构更加致密,且水凝胶具有高的拉伸强度(2.34 MPa)和断裂伸长率(410%)。这是由于聚合物链上的二氨基三嗪(DAT)部分与TA的邻苯三酚/邻苯二酚基团之间形成氢键"软"区域;DAT部分与其自身形成氢键"硬"区域,通过"软""硬"区域的协同作用,使水凝胶获得了优异的力学性能。由于存在多重氢键,水凝胶还具有形状记忆的快速响应性。可以在短时间内通过改变温度快速成型和恢复形状,形变可重复多次。此外,水凝胶还具有物理吸附抗炎药物双氯芬酸钠(DS)的能力。此研究将在生物医学,组织工程和医学材料等领域中具有重要意义。