淀粉氢键增强与高粘附性水凝胶的研究
发布时间：2021-10-07 20:50
水凝胶具有广泛特性包括高含水量、高可形变性、与生物组织的结构相似性以及潜在的功能化等,使其在水下软机器人、人体可植入设备、伤口敷料、组织工程和药物递送有着广泛的应用,这些应用要求水凝胶在干燥和潮湿的环境下均能牢固粘附在基材表面上。本文通过引入树枝状多羟基的天然高分子支链淀粉（Amy）到水凝胶体系中,分别制备出了弱强氢键协同交联的支链淀粉/聚丙烯酰胺/聚乙烯醇（Amy/PAAm/PVA）双网络水凝胶和“软-硬”氢键交联支链淀粉/聚羟乙基丙烯酰胺（Amy/PHEAA）双网络水凝胶,并探究了它们的高强度机械性能和粘附性能。本文的设计策略是使用富含羟基的树枝状聚合物Amy作为多氢键交联剂增强全物理交联PAAm/PVA水凝胶网络,不仅实现水凝胶的机械性能提升,同时增强水凝胶网络与无孔固体材料间的相互作用达到高的界面粘附性能。Amy/PAAm/PVA双网络水凝胶显示出高拉伸强度（854.1 kPa）,高断裂伸长率（约8倍）,高本体韧性(4094.8 kJ m-3)和优良的自修复性能（在室温下可恢复近92%）,并且可以牢固地粘附在无孔玻璃表面上（约158 kPa）。由氢键交联两...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）长链聚合物网络和能量耗散组成强韧水凝胶，通过将长链网络化学锚定在固体表面上实现强粘结
湖北工业大学硕士学位论文6聚烯丙胺本身不能形成网络，因此只有在聚丙烯胺分子链一端与水凝胶网络形成酰胺键，另一端与组织形成酰胺键时才有助于粘附。在分子尺度上，水凝胶与组织表面不光滑，其界面很可能存在间隙。当聚丙烯胺的链长小于间隙距离时，粘附性会减弱。Yuk等[38]发明了一种干双面胶带（DST），它是由可生物降解的明胶和N-氢化琥珀酰亚胺酯接枝的聚丙烯酸（PAAc-NHS酯）制成的。在1kPa的压力下，DST能在5s内快速吸收湿组织的水分溶胀，同时，PAAc-NHS酯中的羧酸基团与组织表面形成分子间键如氢键和静电相互作用使水凝胶与组织表面物理交联形成暂时粘附作用。随后，PAAc-NHS上的酯基也在几分钟内与组织表面上的伯胺基团共价交联形成永久粘附作用，进一步提高了DST的粘附稳定性和粘附强度。在粘附到组织上后，溶胀的DST变为具有韧性的水凝胶薄片，具有高拉伸性（1700%）高含水率（92%），此外DST表现出与组织间超过1000Jm-2的粘合能。但是该水凝胶本身力学性能很弱只有60kPa，也限制了其应用前景。这种粘附方法需要依赖于水凝胶和被粘物的特效官能团才能牢固粘合，当材料和水凝胶网络没有官能团键合交联时，依然无法实现粘附作用，因此该方法对于被粘物材料的选择具有局限性。图1.2组织粘合剂采取干双面胶带（DST）的形式。DST的干交联机制是通过DST吸收界面的水分进行溶胀，界面处形成临时交联和共价交联[38]Figure1.2ThetissueadhesivetakestheformofadryDST.Thedry-crosslinkingmechanismfortheDSTintegratesthedryingofinterfacialwaterbyhydrationandswellingoftheDST,temporarycrosslinking,andcovalentcrosslinking[38]
络合相互作用制备了粘性纳米导电复合水凝胶。其中具有儿茶酚基团的PDA与贻贝的粘附蛋白有相似的结构，基于儿茶酚基团与玻璃表面间形成可逆的配位相互作用，复合水凝胶在玻璃表面上表现出良好的粘附性（9.2kPa）。同时合成的水凝胶也表现出高的自愈合效率（99%）和快速的自修复能力（2s内）。由于水凝胶具有导电性和粘附性，可制备成可穿戴式软应变传感器，用于实时和准确检测大范围和微小范围内的人体运动，比如手指的弯曲和舒展、行走、咀嚼和脉搏。此外软应变传感器与无线发射机联合，可以实现对人体活动的无线监测。图1.5可穿戴式PVAFSWCNT-PDA水凝胶应变传感器可检测各种微小的人体动作。（a）由咀嚼引起的微小运动。（b）呼吸引起的微小运动[43]Figure1.5DetectionofvarioustinyhumanmotionsbythewearablePVAFSWCNT-PDAhydrogel-basedstrainsensors.(a)Thetinymovementcausedbychewing.(b)Thetinymovementcausedbybreathing[43]
【参考文献】：
期刊论文
[1]急诊外科清创黏合术处理头面部创口的临床疗效和愈合满意度分析[J]. 朱捷,诸震波,徐毅,刘在尧,丁宁. 中国临床医生杂志. 2017(03)
[2]α-氰基丙烯酸酯类医用粘合剂的改性研究与展望[J]. 田小俊,徐红蕾. 中国医疗器械信息. 2016(23)
[3]生物医用可吸收止血材料的研究与临床应用[J]. 汪向飞,张晓丹,周汉新. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(21)
[4]聚氨酯水凝胶在生物医学工程中的应用[J]. 金志来,刘杰,杨建军,张建安,吴庆云,吴明元,刘楠楠. 中国胶粘剂. 2009(03)
[5]天然海洋生物胶粘剂的研究进展[J]. 贺宏彬,王晓光,宋阳,尹满新. 中国胶粘剂. 2006(05)
[6]氰基丙烯酸乙酯的贮存稳定性研究[J]. 屈沅治,关祥瑞. 中国胶粘剂. 2002(04)
本文编号：3422750
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）长链聚合物网络和能量耗散组成强韧水凝胶，通过将长链网络化学锚定在固体表面上实现强粘结
湖北工业大学硕士学位论文6聚烯丙胺本身不能形成网络，因此只有在聚丙烯胺分子链一端与水凝胶网络形成酰胺键，另一端与组织形成酰胺键时才有助于粘附。在分子尺度上，水凝胶与组织表面不光滑，其界面很可能存在间隙。当聚丙烯胺的链长小于间隙距离时，粘附性会减弱。Yuk等[38]发明了一种干双面胶带（DST），它是由可生物降解的明胶和N-氢化琥珀酰亚胺酯接枝的聚丙烯酸（PAAc-NHS酯）制成的。在1kPa的压力下，DST能在5s内快速吸收湿组织的水分溶胀，同时，PAAc-NHS酯中的羧酸基团与组织表面形成分子间键如氢键和静电相互作用使水凝胶与组织表面物理交联形成暂时粘附作用。随后，PAAc-NHS上的酯基也在几分钟内与组织表面上的伯胺基团共价交联形成永久粘附作用，进一步提高了DST的粘附稳定性和粘附强度。在粘附到组织上后，溶胀的DST变为具有韧性的水凝胶薄片，具有高拉伸性（1700%）高含水率（92%），此外DST表现出与组织间超过1000Jm-2的粘合能。但是该水凝胶本身力学性能很弱只有60kPa，也限制了其应用前景。这种粘附方法需要依赖于水凝胶和被粘物的特效官能团才能牢固粘合，当材料和水凝胶网络没有官能团键合交联时，依然无法实现粘附作用，因此该方法对于被粘物材料的选择具有局限性。图1.2组织粘合剂采取干双面胶带（DST）的形式。DST的干交联机制是通过DST吸收界面的水分进行溶胀，界面处形成临时交联和共价交联[38]Figure1.2ThetissueadhesivetakestheformofadryDST.Thedry-crosslinkingmechanismfortheDSTintegratesthedryingofinterfacialwaterbyhydrationandswellingoftheDST,temporarycrosslinking,andcovalentcrosslinking[38]
络合相互作用制备了粘性纳米导电复合水凝胶。其中具有儿茶酚基团的PDA与贻贝的粘附蛋白有相似的结构，基于儿茶酚基团与玻璃表面间形成可逆的配位相互作用，复合水凝胶在玻璃表面上表现出良好的粘附性（9.2kPa）。同时合成的水凝胶也表现出高的自愈合效率（99%）和快速的自修复能力（2s内）。由于水凝胶具有导电性和粘附性，可制备成可穿戴式软应变传感器，用于实时和准确检测大范围和微小范围内的人体运动，比如手指的弯曲和舒展、行走、咀嚼和脉搏。此外软应变传感器与无线发射机联合，可以实现对人体活动的无线监测。图1.5可穿戴式PVAFSWCNT-PDA水凝胶应变传感器可检测各种微小的人体动作。（a）由咀嚼引起的微小运动。（b）呼吸引起的微小运动[43]Figure1.5DetectionofvarioustinyhumanmotionsbythewearablePVAFSWCNT-PDAhydrogel-basedstrainsensors.(a)Thetinymovementcausedbychewing.(b)Thetinymovementcausedbybreathing[43]
【参考文献】：
期刊论文
[1]急诊外科清创黏合术处理头面部创口的临床疗效和愈合满意度分析[J]. 朱捷,诸震波,徐毅,刘在尧,丁宁. 中国临床医生杂志. 2017(03)
[2]α-氰基丙烯酸酯类医用粘合剂的改性研究与展望[J]. 田小俊,徐红蕾. 中国医疗器械信息. 2016(23)
[3]生物医用可吸收止血材料的研究与临床应用[J]. 汪向飞,张晓丹,周汉新. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(21)
[4]聚氨酯水凝胶在生物医学工程中的应用[J]. 金志来,刘杰,杨建军,张建安,吴庆云,吴明元,刘楠楠. 中国胶粘剂. 2009(03)
[5]天然海洋生物胶粘剂的研究进展[J]. 贺宏彬,王晓光,宋阳,尹满新. 中国胶粘剂. 2006(05)
[6]氰基丙烯酸乙酯的贮存稳定性研究[J]. 屈沅治,关祥瑞. 中国胶粘剂. 2002(04)
本文编号：3422750
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