明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景:在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的:针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法:从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论:①通过实验得出,加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍;在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶,此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%,但抗压强度从230000 Pa降低到95000 Pa;②结果显示,使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160000 Pa的皮肤支架,该支架具有清晰的三维多孔结构。

植物基纳米纤维素在食品3D打印中的应用

3D打印技术通过逐层添加物料的方式实现特定结构物体的快速成型,可根据需求实现对原料组成和成品空间结构的个性化定制,在食品领域具有广阔发展潜力。大多数食品原料不具备可打印性,这制约了用于3D打印的食品原料的来源和种类,限制了3D打印技术在食品行业的应用规模。植物基纳米纤维素来源广泛,具有优异的机械性能和流变特性,能够增强物料的可打印性,是3D打印的理想原料。明确植物基纳米纤维素的功能特点,制备的3D打印墨水特性以及在食品3D打印中应用现状,对充分利用新兴加工技术和新食品原料尤为重要。本文重点介绍植物基纳米纤维素结构特点及与3D打印相适应的功能特性,包括高机械强度,易表面改性,适于打印的流变特性以及较好的生物安全性。在分析凝胶和乳液两种形式的植物基纳米纤维素打印墨水特性和用途的基础上,总结其在食品添加剂、食品包装材料、食品新鲜度指示器、功能物质载体等相关食品领域的应用现状,并展望未来制备新兴功能食品和智能食品包装的前景,以期为相关技术发展提供参考。

易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究

在光催化降解领域,粉末g-C_(3)N_(4)光催化材料使用后在流体中分离和回收困难,同时也会产生二次污染。在氩气保护下,采用化学气相沉积法在三维碳纤维织物表面沉积g-C_(3)N_(4)纳米片,从而制备了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料,研究了碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列的光学、电化学和光电催化性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)纳米片可以吸收可见光产生光生电子和空穴,而碳纤维良好的导电性提高了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料中光生电子/空穴的分离效率。降解240 min,易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料的电催化、光催化和光电催化对2,4-二硝基酚的降解率分别为20.7%、33.5%和99.5%。在光电催化过程中,外加偏电压加速了光生电子向阴极迁移,进一步提高了光生电子/空穴分离效率,使电催化和光催化存在协同效应。将粉末光催化材料与柔性碳纤维织物组合,提供了一种新的光催化材料组装方式,极大降低了粉末光催化材料的分离和回收成本。

碳纳米管修饰3D纤维网基压力传感器的制备及性能

为改善纤维基传感器灵敏度低和响应范围窄等问题,提出了一种以3D纤维网为基材,采用超声辅助浸渍碳纳米管修饰纤维表面,构建出了3D纤维网络结构的压阻式压力传感器。介绍了3D纤维网传感器的制备过程,并对所制备的传感器形貌结构、力学传感性能及应用进行了测试与表征。结果表明:碳纳米管修饰3D纤维网的传感器灵敏度为3.53×10^(-3)kPa^(-1),具有较好的线性度和较高的灵敏度;检测范围达到200 kPa;响应时间和回复时间分别为153 ms和226 ms;经过2000次循环施加压力测试表现出较好的稳定性和耐久性。该传感器能够用于监测人体的运动,如手指弯曲、手腕弯曲、手指点击和脚跟压力等,在可穿戴电子织物领域具有广阔的应用前景。

3D打印构筑羧基化纤维素纳米纤维基辐射制冷复合材料

日间辐射制冷是一种无能量输入的被动冷却技术,主要通过调控材料自身的光学特性使其对太阳光进行高反射,同时大幅增强其在大气透明窗口的热辐射,以实现自身降温的效果。多孔结构辐射冷却材料是最有潜力实现日间辐射制冷的材料体系,提出墨水直写3D打印方法,制备得到了具有良好辐射制冷性能的羧基化纤维素纳米纤维(CNF)/六方氮化硼(h-BNNS)多孔复合材料。CNF作为一种可从天然材料中提取的绿色资源,由丰富的、在大气透明窗口波段具有高吸收峰的C-O等官能团组成,成为了辐射制冷材料良好的构筑单元。利用CNF表面丰富的含氧官能团极易与其他组分复合并构筑具有三维网络结构的复合体系。高折射h-BNNS无机纳米颗粒的引入,使得所构筑的复合材料获得了较高的太阳光散射(96%)、较高的大气窗发射率(94%)。在太阳光直射条件下,该纤维素纳米纤维复合材料可最高实现12℃的冷却温度和90.1 W·m^(-2)的平均冷却功率。

3D打印碳纳米管/纳米纤维素复合电极制备及性能

本研究探索了基于光固化的3D打印技术制造导电聚合物树脂材料。以可光固化树脂和多壁碳纳米管(MWCNT)混合物为基底,通过添加纳米纤维素(CNF)来改善MWCNT的分散性,使混合树脂达到最佳的导电性能和印刷质量。此外,结合了光固化、热解和化学活化等反应过程,形成可设计的分级孔结构的碳电极,该电极具有从毫米级到微米级再到纳米级分布的孔隙结构,组装对称超级电容器可提供高能量密度0.91 mWh/cm^(2)。

NiS和Pt双助催化剂增强BaTiO_(3)纳米纤维光催化制氢性能

采用静电纺丝、水热和光沉积的方法制备了一种以Pt和NiS为助催化剂的BaTiO_(3)/Pt/NiS双异质结光催化剂。优化后的BaTiO_(3)/Pt/NiS样品的制氢速率最高为489μmol·h^(-1)·g^(-1),是纯物质BaTiO_(3)的2.5倍。这主要归因于BaTiO_(3)与Pt之间形成的肖特基结促进了光生电子的快速转移,以及BaTiO_(3)与NiS之间构建的p-n结实现了对光生空穴的高效捕获。光电化学测试结果进一步证实了BaTiO_(3)/Pt/NiS异质结光催化剂中的光生电子和空穴被高效分离,从而具有更高的分解水制氢性能。

包载C3G的新型纳米纤维脂质体在酸奶中的应用

矢车菊素-3-O-葡萄糖苷(cyanidin-3-O-glucoside,C3G)具有较强的抗炎、抗氧化和抗癌活性,但受到外界环境影响易降解,导致其应用大大受限.为增强脂质体和C3G的稳定性,向脂质体配方中加入水溶性且耐消化的纤维溶胶Fibersol-2,然后将此配方包载的C3G添加到牛奶中进行发酵,对发酵后酸奶的相关指标进行评估,从而确定包载C3G对酸奶的影响.研究发现,将纳米纤维脂质体添加到酸奶中,可明显促进保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的增殖,降低酸奶的pH值,并增加酸奶的酸度、持水力、双乙酰含量和抗氧化活性,抑制酸奶蛋白氧化;纳米纤维脂质体对酸奶的质构有正向影响,但对酸奶的挥发性风味物质无明显影响.研究表明,向纳米脂质体中加入Fibersol-2以稳定脂质体、保护C3G的策略是切实可行的;将包载C3G的纳米纤维脂质体应用在酸奶发酵中也可以多方面提升产品品质,可以作为功能性酸奶的一种新研发思路.

Ti_(3)C_(2)T_(x)-纳米纤维素复合气凝胶的制备及其电化学性能的研究

将纳米纤维素(CNF)与Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene按不同的质量比制备气凝胶。结果表明:复合气凝胶形成了泡沫状的三维分层结构,MXene的层间距得以扩大,其中丰富的孔道加速了离子的传输,较大的比表面积为电化学反应提供了更多的活性位点。当纳米纤维素/MXene质量比为1∶5时,该N_(1)M_(5)气凝胶电极的电化学性能最佳。N_(1)M_(5)气凝胶电极在0.5A/g时,比电容为208F/g,当电流密度增加至10A/g时,显示出85.1%的高容量保留率。在5A/g下充/放电10000次后,容量保持率高达97.3%,循环性能优异。

辣椒素纳米胶囊通过抑制PI3K/Akt/GSK-3β途径改善心肌纤维化的研究

目的探讨辣椒素纳米颗粒(Capsaicin/Nanoparticles,Cap/NPs)胶囊对大鼠心肌梗死后心肌纤维化及磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶3β(Phosphatidylinositol Kinase 3-Kinase/Protein Kinase B/Glycogen Synthase Kinase 3β,PI3K/Akt/GSK-3β)信号通路的影响。方法于2022年1月—2023年6月自贵州医科大学动物中心购进40只雄性健康Sprague-Dawley(SD)大鼠,在适应性喂养7 d后,按随机数表法分为4组(正常对照组、假手术组、模型组、干预组),每组10只。正常对照组、假手术组、模型组予以生理盐水,干预组予以Cap/NPs胶囊口服,1次/周,连续4周。对模型组与干预组行手术结扎,构建心肌梗死模型,假手术组则开展相同手术操作不予以结扎处理,对照组为正常大鼠。术后4周,观察各组心肌纤维化情况,检测PI3K/Akt/GSK-3β通路蛋白在大鼠心肌组织中表达情况。结果模型组血清激活素A(Activin A,ACT-A)水平为(2.33±0.28)pg/mg、心房钠尿肽(Atrial Natriuretic Peptide,ANP)水平为(2.21±0.57)pg/mg、脑钠肽(Brain Natriuretic Peptide,BNP)水平为(212.04±17.36)ng/L、基质金属蛋白酶-9(Matrix Metalloproteinases,MMP-9)水平为(221.65±23.34)ng/L、胶原纤维蛋白Ⅲ水平为(67.62±1.85)ng/mL,各指标均明显高于干预组,差异有统计学意义(P均<0.05)。模型组大鼠心肌组织PI3K/Akt/GSK-3β蛋白表达水平明显低于干预组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论大鼠心肌梗死模型建立后予以Cap/NPs胶囊干预,能够有效抑制心肌纤维化发展,减轻大鼠心肌损伤,其机制与PI3K、Akt、GSK-3β蛋白活性调控以及PI3K/Akt/GSK-3β信号通路传导抑制有关。

静电纺丝法制备GaInO_3纳米纤维及其光学性能

采用静电纺丝法制备了PVP/In(NO3)3·4.5H2O/Ga(NO3)3·xH2O前驱体纳米纤维,然后经高温煅烧获得了多孔结构的GaInO3无机纳米纤维,并对其光学性能进行了研究。利用扫描电镜(SEM)、热重仪(TGA)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、紫外-可见光谱仪(UVvis)和荧光分光光度计(PL)对样品的形貌、结构、组分和光学性能进行了表征。结果表明,当硝酸盐与PVP的质量比为20%时,前驱体纳米纤维成型良好;经800℃、900℃和1000℃煅烧4h仍能保持纤维结构,但纤维直径明显减小;当煅烧温度大于或等于900℃时,才生成六角晶系GaInO3;根据UV-vis测试结果计算出800℃、900℃和1000℃煅烧后样品的禁带宽度分别为3.22eV、3.48eV和3.66eV;经250nm光激发后其室温光致发光光谱在496nm处出现较强的蓝绿光发射峰。

基于CREB3L1探讨矾冰纳米乳对兔耳增生性瘢痕模型相关蛋白及炎症因子的影响

目的观察矾冰纳米乳对兔耳增生性瘢痕组织环腺苷酸应答元件结合蛋白3样1(CREB3L1)及炎症损伤的影响,探讨其预防增生性瘢痕的作用机制。方法将30只新西兰大耳白兔随机分为空白组、模型组、积雪草苷组及矾冰纳米乳低、中、高剂量组(8.15、16.3、32.6 mg·mL^(-1))。采用热力烫伤法进行造模,深Ⅱ度烧伤造模成功后第14天给予相应药物外用,空白组、模型组外用等量生理盐水,每日2次,连续给药至第35天。苏木素-伊红(HE)染色观察兔耳瘢痕组织病理学改变;马松(Masson)染色观察瘢痕组织胶原沉积情况;免疫荧光双标法检测兔耳瘢痕组织CREB3L1/α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)共表达情况;酶联免疫吸附测定法(ELISA)检测瘢痕组织白细胞介素6(IL-6)、白细胞介素10(IL-10)等炎性因子表达;实时荧光定量聚合酶链式反应(Real-time PCR)检测CREB3L1、Ⅰ型胶原蛋白(COL-Ⅰ)、Ⅲ型胶原蛋白(COL-Ⅲ)、α-SMA mRNA表达;蛋白免疫印迹法(Western Bolt)检测CREB3L1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ、α-SMA的蛋白表达情况。结果与空白组比较,模型组瘢痕增生指数明显升高(P<0.01);病理学改变包括真皮层增厚,形成致密的网状纤维,伴见炎症细胞浸润;Masson染色可见真皮层增厚,蓝染的胶原纤维大量沉积排列紊乱;免疫荧光双标结果显示,瘢痕组织中CREB3L1阳性表达增加,α-SMA阳性表达增加,IL-6含量明显升高(P<0.01),IL-10含量明显降低(P<0.01),兔耳瘢痕组织中的CREB3L1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ、α-SMA mRNA相对表达量明显增加(P<0.01),CREB3L1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ、α-SMA蛋白的表达明显增加(P<0.01)。与模型组比较,矾冰纳米乳中、高剂量组及积雪草苷组治疗后瘢痕增生指数均明显下降(P<0.05,P<0.01),病理改变可见真皮层变薄,炎性细胞均有不同程度减少,蓝染的胶原纤维减少,免疫荧光双染可见瘢痕组织中CREB3L1阳性表达降低,α-SMA阳性表达降低,IL-6含量明显降低(P<0.01),IL-10含量明显升高(P<0.01),矾冰纳米乳中、高剂量组和积雪草苷组均能够明显下调CREB3L1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ、α-SMA mRNA的表达(均P<0.01),降低CREB3L1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ、α-SMA蛋白的表达(P<0.05,P<0.01)。结论矾冰纳米乳能够通过调节CREB3L1及相关纤维化蛋白的表达,降低炎症水平,从而预防增生性瘢痕形成,丰富了中医“既病防变”“治未病”思想的科学内涵。

纳米纤维素基3D打印材料的研究进展

3D打印是一种以数字模型文件作为基础的快速成型技术,采用可粘合材料,通过逐层打印的方式可构建物体。本文介绍了纳米纤维素的特点与纳米纤维素基3D打印材料的现状,重点总结了纳米纤维素基3D打印材料在不同领域的应用,如生物医药、食品包装、柔性导电材料等,并对纳米纤维素基3D打印材料的发展进行了展望。

α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维电极材料的制备及其电化学性能分析

采用电沉积技术将α-Fe_(2)O_(3)均匀负载在静电纺丝炭纳米纤维上,制备α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维复合材料。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及物理吸附对复合材料进行形貌和结构分析,并通过恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗技术考察其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明:α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维(α-Fe_(2)O_(3)/CNF-3)复合材料相比单纯炭纳米纤维(CNF)有着更丰富的介孔结构,有利于离子和电子的低电阻传输。同时,α-Fe_(2)O_(3)/CNF-3复合电极材料结合了双电层电容和赝电容的优良性能,在电流密度为1A/g下,电解液为6mol/L KOH时,其比电容值可达330.1F/g,是炭纳米纤维电极的3.76倍,并且经过8000次循环后仍能保持91.45%,具有较好的稳定性。

Chem-E-Car竞赛驱动的化学综合实验设计——以“Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维的制备及锌-空气电池应用”为例

为了构筑兼备ORR/OER催化活性和稳定性的锌-空气电池电极,通过静电纺丝技术制备Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维,通过XRD、SEM、TEM等对纳米纤维进行物性表征,通过极化曲线测试其在碱性电解液中的ORR/OER性能,通过Chem-E-Car小车的实际应用判断锌-空气电池的应用潜力。研究结果表明:Ca3MnCoO6-MnCo2O4材料具有纺锤形貌,随着前驱体溶液中PVP/DMF浓度的增加,纳米纤维的直径均存在不同程度的粗化。复合催化剂对ORR和OER均表现出可观的电催化活性,在ORR过程中可以提供0.61@1600 rpm的极限电流密度 (20wt% Pt/C: 0.63@1600 rpm),在OER过程中可以提供1.65 V@10 mA cm-2的过电势 (RuO2: 1.60 V@10 mA cm-2)。本综合实验技术路线简单可行、效率高,可以有效提高学生的综合实践能力和科研创新能力。以此研究成果制造的新能源小车可以提供稳定的运行速度(0.2m/s)并持续至30m,成功在第7届全国大学生Chem-E-Car竞赛中取得性能二等奖的成绩。

P3HT纳米纤维的制备及其光催化制氢性能

为研究纤维膜光催化剂的产氢效果,以共轭聚合物半导体聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene),P3HT)和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)的共混溶液为纺丝溶液,采用静电纺丝法制备系列P3HT/PMMA纳米纤维,并对其光催化分解水制氢性能进行测试分析。利用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、接触角测试仪等对不同的P3HT/PMMA纳米纤维的表观形貌及相关性质进行表征。SEM图显示,当纺丝液分别以氯仿/氯苯和氯苯为溶剂时,纳米纤维形貌表现出明显差异;紫外-可见吸收光谱显示纳米纤维中P3HT为光催化活性成分,其中以氯苯为溶剂、空气湿度80%时制得的纳米纤维产氢速率最佳(145μmol/(h·g));XRD、接触角和电流测试与分析表明,P3HT以非晶结构均匀分散在纳米纤维中,且纳米纤维膜疏水程度越低,制氢速率越高。P3HT纤维化可有效提高其光催化制氢性能,不仅为光解水制氢提供了新思路,还为可溶液加工的线性共轭聚合物半导体提供了新的应用领域。

简便制备三维多级Fe_(3)O_(4)/碳纳米纤维一体化电极及其储钠性能研究

作为钠离子电池负极材料之一的铁氧化物,其理论比容量高,但在循环过程中会发生较大的体积膨胀,表现出明显的容量衰减。以柔性碳基材料为基底原位构建纳米结构的金属氧化物可作为一种缓解其体积膨胀的有效手段。本文采用化学气相沉积法在泡沫铜上原位生长了多孔碳纳米纤维(CNFs),以此为柔性导电基底,通过盐溶液浸渍与退火相结合的简便方法制备得到三维多级Fe_(3)O_(4)/碳纳米纤维(3D Fe_(3)O_(4)/CNFs)一体化电极电极,并将其用作钠离子电池负极。使用X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱(Raman),扫描电子显微镜(SEM)对样品进行组分分析及形貌表征。使用恒流充放电(GCD),循环伏安(CV),电化学阻抗(EIS)对其进行电化学性能表征。结果表明,尺寸在50~100 nm的纳米棒状Fe_(3)O_(4)均匀分散在多孔碳纳米纤维上,构建出富含孔隙的三维多级结构。在0.1 A/g的电流密度下,3D Fe_(3)O_(4)/CNFs一体化电极经过100圈循环后,其比容量可达893.4 mAh/g,优于CNFs电极,并表现出更快的钠离子扩散动力学,同时具有较好的电化学可逆性。本文为金属氧化物/碳基复合电极研究提供了思路与实验依据。

柔性YAG-Al_(2)O_(3)纳米纤维膜负载C_(3)N_(4)的水处理性能研究

采用溶胶-凝胶法和静电纺丝技术制备了柔性钇铝石榴石-氧化铝(YAG-Al_(2)O_(3))纳米纤维膜,然后使用尿素包埋法将石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))引入到纤维膜孔隙中,制备了自支撑光催化降解钇铝石榴石-氧化铝/氮化碳(YAG-Al_(2)O_(3)/C_(3)N_(4))复合材料,表征了材料的形貌结构和力学行为,并研究了其在亚甲基蓝污水处理中的可见光催化降解性能。结果表明,YAG-Al_(2)O_(3)纳米纤维膜具有优异的柔韧性,YAG-Al_(2)O_(3)/C_(3)N_(4)复合材料在厚度方向具有良好的弹性,两者均为自支撑材料。100min内复合材料对亚甲基蓝的降解率可达96%以上,循环3次后降解率仍保持在94%左右。催化反应动力学符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型,说明复合材料具有长期稳定且高效的催化降解效果。

玄武岩纤维复合纳米CaCO_(3)在混凝土中的性能研究

采用平板约束开裂和温度应力试验两种评价方法,对玄武岩纤维复合纳米CaCO_(3)在混凝土中应用的力学性能、抗裂性能以及微观结构进行了研究。结果表明:玄武岩纤维对混凝土7 d、28 d抗压强度、劈裂抗拉强度影响不大,玄武岩纤维与纳米碳酸钙复合混凝土开裂温度相对基准降低、开裂应力增大,平板开裂试验表明裂缝降低系数80%以上,对养护一年龄期混凝土试块做SEM,发现纤维与水泥石基体粘贴紧密且无腐蚀破损。

纤维素纳米晶/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的制备及可见光催化性能研究

在本研究中将三聚氰胺和生物质材料纤维素纳米晶作为原料,经两步热缩聚法制备了纤维素纳米晶/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂,并通过调节纤维素纳米晶添加量找到了光催化性能最佳的复合光催化剂。通过纤维素纳米晶的加入将g-C_(3)N_(4)在可见光下光催化降解有机染料罗丹明B效率提升了4.4倍,在光催化的使用量极少的情况下120 min内将罗丹明B降解了71%。