基于两性离子聚合物构建的粘附水凝胶制备及性能研究

发布时间：2020-04-17 20:20

【摘要】：水凝胶是一种具有高含水量的三维网络聚合物,聚合物水凝胶多种性能包括韧性、响应性、自愈合和粘合性等使其在多种领域具有巨大的应用前景。特别是,粘附水凝胶在电子皮肤、组织粘合剂、给药载体、伤口敷料、软机器人、生物医用设备、可穿戴设备等方面引起了巨大研究兴趣。柔性的水凝胶能够更好地粘附在基质表面。另外,粘附水凝胶良好的机械性能保证其在应用期间高效稳定使用。因此,期望制备具有高韧性和多功能的粘附水凝胶。两性离子在同一重复单元中具有阳离子季胺基团和阴离子磺酸基团,整体电中性,具有高偶极矩。两性离子聚合物之间可形成链间偶极-偶极缔合。两性离子基团能够与其他的带电基团或极性基团形成离子-偶极或偶极-偶极相互作用。两性离子基团可促进离子传导。两性离子的特殊结构使其具有多种性能。因此,本文基于两性离子,制备了具有粘附性能的水凝胶,对其粘附性能进行研究,并对其生物方面应用进行探究。本文主要工作和相应结论如下:(1)在剥离粘土片Laponite XLG中将两性离子(SBMA)和单体(HEMA)共聚制备了一种具有优异机械性能,共形粘合的透明的两性离子纳米复合水凝胶。两性离子聚合物可形成链间偶极-偶极缔合,以提供更多的物理交联相互作用。水凝胶表现出2000%的高断裂伸长率,0.27 MPa的断裂强度和2.45 MJ/m3的断裂韧性。此外,可逆的物理相互作用赋予水凝胶快速的自修复能力。水凝胶能够粘附于许多表面,包括皮肤,聚电解质水凝胶,玻璃,硅橡胶和丁腈橡胶。两性离子基团的存在可促进凝胶中的离子传导。这些特性的结合使得水凝胶能够作为应变传感器,具有高的灵敏度(灵敏度=1.8)。设计强韧,粘合,可自修复和导电的两性离子纳米复合水凝胶作为皮肤应变传感器的策略有望在实际中应用。(2)通过两性离子(SBMA)和离子单体(AMPS或DAC)的共聚制备了两性离子聚电解质水凝胶,研究了凝胶的力学性能、粘附性能、粘附机理和抗菌性能。离子单体的引入,破坏了两性离子聚合物链间的偶极-偶极相互作用,凝胶的断裂强度下降但断裂应变增加。聚阴离子电解质水凝胶P15SA与聚阳离子电解质水凝胶P15SD的粘附性能明显不同。这可能是由于离子单体的引入使得聚阴离子和聚阳离子凝胶表面电荷分布存在差异。通过测定凝胶的Zeta电位,获得P15SA凝胶的Zeta电位随着AMPS含量的增加而增加,P15SD凝胶的Zeta电位随着DAC含量的增加基本不变。另外,研究了两性离子聚电解质凝胶和猪皮的粘附性能,发现P15S1.8A0.2凝胶与猪皮的剪切粘附力最大,搭接组件在拉伸时凝胶自身断裂。P15S1.8A0.2凝胶能够牢固地粘附在猪皮表面,并且能够承受猪皮的弯曲和扭转。两性离子聚电解质凝胶表现出良好的抗菌性能,有望作为抗菌性伤口敷料促进伤口愈合。
【图文】：

贻贝,蛋白分布

图１．２贻贝足蛋白分布逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｕｓｓｅｌ邋ｆｏｏｔ邋ｐｒｏｔｅｉｎｓ邋ｉｎ邋ａ邋ｂｙｓｓａｌ邋ｔｈｒｅａｄ逡逑１．２．１．１儿茶酚改性单体聚合水凝胶逡逑海洋贻贝以其富含３，４－二羟基苯丙氨酸（ＤＯＰＡ）的蛋白质（Ｍｆｐｓ）而闻名，它们逡逑能够在潮湿和盐水条件下对几乎所有类型的底物具有强大的附着力，这极大地激发了含逡逑有儿茶酚基团的贻贝模拟粘合剂水凝胶的开发。然而，尽管许多研究表明，通过邻苯二逡逑酚基团官能化天然／合成聚合物有助于模拟贻贝进行湿粘合，但制造具有非常理想的初性逡逑粘合剂的儿茶酚基水凝胶仍然是一个挑战。传统的仿贻贝粘合剂内部的儿茶酚自氧化形逡逑成三聚体或低聚物２６，引发氧化共价交联，导致凝胶界面粘附能较低２７邋（１－１０邋ＪｒｒＴ２），逡逑整体机械性能差。逡逑Ｂｉａｎ等２８利用动态硼酸酯键和共价的硝基儿茶酚二聚体制备了双交联水凝胶来提逡逑高凝胶整体的内聚力，并且通过水凝胶与组织之间的醌－亲核基团的偶联作用使其稳固逡逑的粘附在湿的生物组织上。在该水凝胶中，硝基多巴胺甲基丙烯酰胺（ｎＤＭＡ）和３－丙逡逑烯酰氨基苯硼酸（ＡＡＰＢＡｐＫａ邋＝邋８．２）之间形成的硼酸酯键作为动态交联，，由过硫酸铵逡逑

贻贝,水凝胶,粘附性能,猪皮

．．逦Ｓｕｂｓｔｒａｔｕｍ逡逑图１．２贻贝足蛋白分布逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｕｓｓｅｌ邋ｆｏｏｔ邋ｐｒｏｔｅｉｎｓ邋ｉｎ邋ａ邋ｂｙｓｓａｌ邋ｔｈｒｅａｄ逡逑１．２．１．１儿茶酚改性单体聚合水凝胶逡逑海洋贻贝以其富含３，４－二羟基苯丙氨酸（ＤＯＰＡ）的蛋白质（Ｍｆｐｓ）而闻名，它们逡逑能够在潮湿和盐水条件下对几乎所有类型的底物具有强大的附着力，这极大地激发了含逡逑有儿茶酚基团的贻贝模拟粘合剂水凝胶的开发。然而，尽管许多研究表明，通过邻苯二逡逑酚基团官能化天然／合成聚合物有助于模拟贻贝进行湿粘合，但制造具有非常理想的初性逡逑粘合剂的儿茶酚基水凝胶仍然是一个挑战。传统的仿贻贝粘合剂内部的儿茶酚自氧化形逡逑成三聚体或低聚物２６，引发氧化共价交联，导致凝胶界面粘附能较低２７邋（１－１０邋ＪｒｒＴ２），逡逑整体机械性能差。逡逑Ｂｉａｎ等２８利用动态硼酸酯键和共价的硝基儿茶酚二聚体制备了双交联水凝胶来提逡逑高凝胶整体的内聚力，并且通过水凝胶与组织之间的醌－亲核基团的偶联作用使其稳固逡逑的粘附在湿的生物组织上。在该水凝胶中，硝基多巴胺甲基丙烯酰胺（ｎＤＭＡ）和３－丙逡逑烯酰氨基苯硼酸（ＡＡＰＢＡｐＫａ邋＝邋８．２）之间形成的硼酸酯键作为动态交联
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26

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