纳米复合水凝胶的功能化及近红外驱动仿生凝胶手臂的制备

发布时间：2017-05-16 04:06

  本文关键词：纳米复合水凝胶的功能化及近红外驱动仿生凝胶手臂的制备，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本工作的主要目的是实现纳米复合水凝胶(NC凝胶)的功能化和对其在仿生应用领域的探索。研究的基本思路是首先利用NC凝胶的物理交联特性合成了热可塑型的水凝胶;其次在NC凝胶中引入功能性组分,赋予其优异的延展性、生物粘性、光驱动性等特性;最后将不同温度响应型的NC凝胶相结合,借助仿生学原理,合成了智能仿生水凝胶手臂,可以模仿人体手臂“伸长-握持-收缩”动作。本工作的主要内容和结果如下:1.发现了聚N,N-二甲基丙烯酰胺(PDMAA)NC凝胶有趣的热可塑型性质,此凝胶可以在80 oC时通过模压或挤出而形成新的形状,在温度降低至20 oC时新的形状可以被固定。拉伸测试和同步辐射小角X射线散射(SAXS)结果表明塑型后的NC凝胶仍然保留优异的力学强度和完整的交联结构。粘弹性测试结果发现升高温度可以使凝胶的平衡剪切模量Ge明显降低,说明凝胶交联密度降低;而降温时Ge又可以恢复,说明凝胶的交联密度也随之恢复。NC凝胶的这种热可塑型性质来自于其热可逆的交联结构,使凝胶在高温时有大的蠕变量而可以被塑型。2.将α-环糊精(α-CD)引入到NC凝胶中,赋予高强度水凝胶优异的生物粘性,制备出能够轻易粘附各类材料的粘性凝胶。将聚乙烯醇(PVA)引入到PDMAA粘性水凝胶体系中,制备了超拉伸粘性凝胶,断裂伸长率高达3500%;将GO引入到PNIPAm粘性凝胶体系中,制备了激光控制脱附的粘性凝胶。随后通过对比不同组分的粘性凝胶的力学性能、溶胀行为、蠕变性能、驱动试验等,发现α-CD上存在大量的羟基,羟基上的氢键极大地增强了凝胶和物体间的相互作用力,从而起到粘附的效果;PVA能够屏蔽部分NC凝胶的物理交联点,降低其交联点密度,从而使其力学强度下降,伸长率提高,获得超拉伸性能;GO具有快速高效的光-热的转换性能,在激光照射时能够快速使PNIPAm凝胶发生体积相转变,从而在1 min内实现激光控制脱附。3.受到人体手臂的启发,制备了一种多段组合的聚合物-锂藻土-GO水凝胶驱动器,可以作为近红外光(NIR)快速驱动的智能水凝胶手臂。通过结合GO快速高效的光-热转化效率和不同热响应性的水凝胶,可以完成类似人体手臂的“伸长-握持-收缩”动作。通过PDMAA凝胶在高温发生蠕变的特性模拟“伸长”动作,通过添加α-CD的粘性凝胶模拟“握持”动作,通过PNIPAm凝胶在高温发生体积相转变的特性模拟“收缩”动作。通过拉伸试验、蠕变试验、可重复性试验、驱动对比试验,发现水凝胶手臂具有力学性能优异,操作便捷,响应速度快,可重复性良好等优势。最后将智能手臂“握持”部位的水凝胶替换成其他的功能化水凝胶(如磁性水凝胶)或材料以满足更多的使用需求,极大地拓展水凝胶手臂的应用前景。
【关键词】：纳米复合水凝胶 热塑性 生物粘性 智能手臂
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O648.17;R318.08
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 水凝胶概述11
• 1.2 温度响应型水凝胶11-13
• 1.3 高强度纳米复合水凝胶13-19
• 1.3.1 高强度水凝胶13-15
• 1.3.2 纳米复合水凝胶的形成机理15-17
• 1.3.3 纳米复合水凝胶的功能化17-19
• 1.4 聚合物-氧化石墨烯水凝胶19-22
• 1.4.1 石墨烯和氧化石墨烯概述19-20
• 1.4.2 聚合物-氧化石墨烯水凝胶20-21
• 1.4.3 氧化石墨烯水凝胶驱动器21-22
• 1.5 本工作的目的与内容22-24
• 第二章 热可塑型的聚（N,N -二甲基丙烯酰胺）-锂藻土纳米复合水凝胶24-41
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-28
• 2.2.1 原料和试剂24-25
• 2.2.2 主要仪器25-26
• 2.2.3 水凝胶的制备与表征26-28
• 2.3 结果与讨论28-40
• 2.3.1 NC凝胶的热塑型28-32
• 2.3.2 NC凝胶塑型后的力学性能32-35
• 2.3.3 PDMAA NC凝胶热塑型机理35-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 生物粘性的聚合物-锂藻土纳米复合水凝胶41-57
• 3.1 引言41
• 3.2 实验部分41-47
• 3.2.1 原料和试剂41-42
• 3.2.2 主要仪器42
• 3.2.3 水凝胶的制备与表征42-47
• 3.3 结果与讨论47-56
• 3.3.1 超拉伸PDMAA粘性水凝胶47-52
• 3.3.2 激光控制脱附的PNIPAm粘性水凝胶52-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 近红外驱动仿生水凝胶手臂57-73
• 4.1 引言57-58
• 4.2 实验部分58-61
• 4.2.1 原料和试剂58
• 4.2.2 主要仪器58-59
• 4.2.3 水凝胶的制备与表征59-61
• 4.3 结果与讨论61-71
• 4.3.1 水凝胶手臂的力学性能61-62
• 4.3.2 水凝胶手臂的驱动行为62-65
• 4.3.3 水凝胶手臂的驱动机理65-68
• 4.3.4 水凝胶手臂光驱动伸缩的可重复性68-71
• 4.4 本章小结71-73
• 结论73-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果79-80
• 致谢80-81
• 附件81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘丹;王涛;刘新星;王朝阳;童真;;基于聚N-异丙基丙烯酰胺的细胞智能分离材料[J];化学进展;2011年11期

  本文关键词：纳米复合水凝胶的功能化及近红外驱动仿生凝胶手臂的制备，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：369505