医用生物聚酯的纳米力学研究
发布时间：2021-10-29 05:07
近年来,随着人们对于周围环境和自身健康要求的提高,医用生物聚酯材料由于其具有优良的生物相容性和降解性,得到材料学家和医学家的青睐。这类聚酯材料分子结构简单,具有良好的力学性能,被广泛应用于医疗器械以及医用可植入材料中。多年以来,关于这类材料的研究一直吸引着人们的关注,但是这些研究都是关于材料的宏观机械性能改性,鲜有人从纳米尺度上对其内在机理进行研究。本论文借助基于原子力显微镜的单分子力谱技术手段,结合量子力学计算,系统研究了几种典型医用生物聚酯材料（PGA、PCL和P3HB）在单分子分散态的分子链内的本征力学弹性行为和聚集态的分子链之间的相互作用,进而从单分子层次上揭示内在的分子结构和链结构对于其宏观材料力学性能的影响以及内在机理。从获得的单分子力谱结果和基于量子力学计算的理论模型拟合结果可以发现,PGA、PCL和P3HB这几种聚酯分子都可以在壬烷中获得它们的本征弹性,而且它们的弹性与溶剂质量无关。它们的本征弹性不仅可以分别被QM-FRC模型、QM-WLC模型以及QM-FJC模型很好地确证,而且拟合参数正好均与其结构单元长度相关。结合课题组之前获得的PLLA的本征弹性,发现PGA和PC...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
原子力显微镜原理图
中北大学学位论文4图1-2原子力显微镜的工作模式图。Figure1-2SchematicofworkingmodeofAFM.1.2.2单分子力谱技术单分子力谱技术是一种基于原子力显微镜，在纳米尺度测量生物高分子和合成高分子微机械力的技术[35-43]。其具体工作原理是：在样品台吸附单个分子，当针尖与样品接触时，分子的一端会粘附于针尖上，当针尖离开样品表面时，被粘附于针尖的分子会在针尖与分子间形成分子桥。随着针尖的远离，分子开始受力，此时作为弹簧的微悬臂也会发生偏离。当拉伸达到某一临界值时，分子桥会脱落或者断裂，微悬臂回到原始位置。压电陶瓷以及其他相关传感器会记录针尖的纵向运动位移以及微悬臂的偏移，然后软件通过理论计算（如胡克定律）转化为单分子力谱“力——距离”拉伸曲线（如图1-3所示）。
中北大学学位论文8于分子链与溶剂之间仅存在范德华力，并无其他特殊的相互作用，近似于真空环境的无扰状态。因此，非极性有机溶剂经常被用来研究分子链的纯弹性行为[44-45]。近年来，Cui等利用单分子力谱技术研究多种聚合物的本征弹性[58-63]。2006年，他们研究单链DNA（ssDNA）在非极性有机溶剂中的本征弹性以及在水环境中与水的弱结合作用[58]。他们首先测试单个ssDNA分子链在非极性有机溶剂二乙苯中的本征弹性行为，结合单分子弹性理论模型结果，发现QM-FRC模型可以很好地描述实验曲线，并且拟合参数lb=0.295nm正好是ssDNA单个结构单元的长度（如图1-4A所示）。通过与在水中的单链弹性行为相比较，发现这两条力曲线在低力区和高力区可以完全重合，在中力区（约35-250pN）两条力曲线发生明显偏离（如图1-4B所示）。他们认为其原因是由于在水环境中水分子与ssDNA分子链上部分结合位点形成氢键，从而在ssDNA链周围形成一层结合水，而在分子链受到拉伸时，需要首先破坏这层结合水，从而需要消耗除本征弹性以外的额外能量。经过计算，这部分能量为0.58kB/unit，他们认为这部分能量正好是DNA自组装形成稳定的超分子螺旋结构的原因。图1-4（A）ssDNA在二乙苯中获得的力曲线与QM-FRC模型拟合曲线的比较，（B）ssDNA在二乙苯与磷酸缓冲盐溶液获得的力曲线的比较。Figure1-4(A)ThecomparisonofaforcecurveofssDNAobtainedindiethylbenzeneandtheQM-FRCfittingcurve,(B)ThecomparisonofforcecurvesofssDNAobtainedindiethylbenzeneandphosphatebuffersolution.2007年，他们又研究了双链DNA（dsDNA）在非极性有机溶剂中的本征弹性以及水环境对于dsDNA双螺旋结构的重要性[59]。他们测试dsDNA在非极性有机溶剂二乙
【参考文献】：
期刊论文
[1]The Important Roles of Water in Protein Folding: an Approach by Single Molecule Force Spectroscopy[J]. Bo Cheng,Shu-Xun Cui. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(03)
[2]原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用[J]. 葛林. 力学进展. 2018(00)
[3]纳米材料的科技发展和实际应用[J]. 李宁,赵宝. 科技风. 2017(10)
[4]可降解生物医用材料研究现状与展望[J]. 李君涛,陈周煜. 新材料产业. 2016(01)
[5]医用高分子材料在医疗器械中的应用分析[J]. 赵立新. 电子测试. 2015(18)
[6]原子力显微镜用于微尺度材料力学性能表征的研究进展[J]. 丁燕怀,蒋旭,任虎鸣,尹久仁,姜勇,邓旭辉,张平. 材料导报. 2012(13)
[7]纳米科技简介[J]. 晏亮,谷战军,赵宇亮. 现代物理知识. 2011(06)
[8]聚己内酯的应用研究进展[J]. 杨延慧,严涵,康晓梅,徐静,陈红,陈晓浪,张志斌. 化工新型材料. 2011(12)
[9]脂肪族聚酯类可生物降解医用高分子材料的研究进展[J]. 刘潇,李彦锋,崔彦君,赵光辉. 化学通报. 2010(03)
[10]纳米生物技术研究进展[J]. 谭镜明. 化工技术与开发. 2007(07)
博士论文
[1]溶剂与侧链对高分子单链弹性影响的单分子力谱研究[D]. 罗仲龙.西南交通大学 2016
[2]几种典型生物高分子与水相互作用的单分子研究[D]. 成博.西南交通大学 2015
[3]天然纤维素的单分子力学性能[D]. 鲍雨.西南交通大学 2015
[4]高分子界面吸附的单分子力谱研究[D]. 崔树勋.吉林大学 2004
本文编号：3464023
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
原子力显微镜原理图
中北大学学位论文4图1-2原子力显微镜的工作模式图。Figure1-2SchematicofworkingmodeofAFM.1.2.2单分子力谱技术单分子力谱技术是一种基于原子力显微镜，在纳米尺度测量生物高分子和合成高分子微机械力的技术[35-43]。其具体工作原理是：在样品台吸附单个分子，当针尖与样品接触时，分子的一端会粘附于针尖上，当针尖离开样品表面时，被粘附于针尖的分子会在针尖与分子间形成分子桥。随着针尖的远离，分子开始受力，此时作为弹簧的微悬臂也会发生偏离。当拉伸达到某一临界值时，分子桥会脱落或者断裂，微悬臂回到原始位置。压电陶瓷以及其他相关传感器会记录针尖的纵向运动位移以及微悬臂的偏移，然后软件通过理论计算（如胡克定律）转化为单分子力谱“力——距离”拉伸曲线（如图1-3所示）。
中北大学学位论文8于分子链与溶剂之间仅存在范德华力，并无其他特殊的相互作用，近似于真空环境的无扰状态。因此，非极性有机溶剂经常被用来研究分子链的纯弹性行为[44-45]。近年来，Cui等利用单分子力谱技术研究多种聚合物的本征弹性[58-63]。2006年，他们研究单链DNA（ssDNA）在非极性有机溶剂中的本征弹性以及在水环境中与水的弱结合作用[58]。他们首先测试单个ssDNA分子链在非极性有机溶剂二乙苯中的本征弹性行为，结合单分子弹性理论模型结果，发现QM-FRC模型可以很好地描述实验曲线，并且拟合参数lb=0.295nm正好是ssDNA单个结构单元的长度（如图1-4A所示）。通过与在水中的单链弹性行为相比较，发现这两条力曲线在低力区和高力区可以完全重合，在中力区（约35-250pN）两条力曲线发生明显偏离（如图1-4B所示）。他们认为其原因是由于在水环境中水分子与ssDNA分子链上部分结合位点形成氢键，从而在ssDNA链周围形成一层结合水，而在分子链受到拉伸时，需要首先破坏这层结合水，从而需要消耗除本征弹性以外的额外能量。经过计算，这部分能量为0.58kB/unit，他们认为这部分能量正好是DNA自组装形成稳定的超分子螺旋结构的原因。图1-4（A）ssDNA在二乙苯中获得的力曲线与QM-FRC模型拟合曲线的比较，（B）ssDNA在二乙苯与磷酸缓冲盐溶液获得的力曲线的比较。Figure1-4(A)ThecomparisonofaforcecurveofssDNAobtainedindiethylbenzeneandtheQM-FRCfittingcurve,(B)ThecomparisonofforcecurvesofssDNAobtainedindiethylbenzeneandphosphatebuffersolution.2007年，他们又研究了双链DNA（dsDNA）在非极性有机溶剂中的本征弹性以及水环境对于dsDNA双螺旋结构的重要性[59]。他们测试dsDNA在非极性有机溶剂二乙
【参考文献】：
期刊论文
[1]The Important Roles of Water in Protein Folding: an Approach by Single Molecule Force Spectroscopy[J]. Bo Cheng,Shu-Xun Cui. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(03)
[2]原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用[J]. 葛林. 力学进展. 2018(00)
[3]纳米材料的科技发展和实际应用[J]. 李宁,赵宝. 科技风. 2017(10)
[4]可降解生物医用材料研究现状与展望[J]. 李君涛,陈周煜. 新材料产业. 2016(01)
[5]医用高分子材料在医疗器械中的应用分析[J]. 赵立新. 电子测试. 2015(18)
[6]原子力显微镜用于微尺度材料力学性能表征的研究进展[J]. 丁燕怀,蒋旭,任虎鸣,尹久仁,姜勇,邓旭辉,张平. 材料导报. 2012(13)
[7]纳米科技简介[J]. 晏亮,谷战军,赵宇亮. 现代物理知识. 2011(06)
[8]聚己内酯的应用研究进展[J]. 杨延慧,严涵,康晓梅,徐静,陈红,陈晓浪,张志斌. 化工新型材料. 2011(12)
[9]脂肪族聚酯类可生物降解医用高分子材料的研究进展[J]. 刘潇,李彦锋,崔彦君,赵光辉. 化学通报. 2010(03)
[10]纳米生物技术研究进展[J]. 谭镜明. 化工技术与开发. 2007(07)
博士论文
[1]溶剂与侧链对高分子单链弹性影响的单分子力谱研究[D]. 罗仲龙.西南交通大学 2016
[2]几种典型生物高分子与水相互作用的单分子研究[D]. 成博.西南交通大学 2015
[3]天然纤维素的单分子力学性能[D]. 鲍雨.西南交通大学 2015
[4]高分子界面吸附的单分子力谱研究[D]. 崔树勋.吉林大学 2004
本文编号：3464023
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