响应性水凝胶功能器件的光聚合制备与特性研究

发布时间：2017-12-09 00:14

  本文关键词：响应性水凝胶功能器件的光聚合制备与特性研究

  更多相关文章： 光聚合 水凝胶 环境响应 致动器 微纳制备 微器件

【摘要】：响应性水凝胶是一种具有三维网络的亲水聚合物,在p H、温度、光等外界环境刺激下能够发生独特的响应性溶胀行为,由于其具有良好的亲水性、生物相容性以及环境友好等优点,近年来基于响应性水凝胶材料的各种功能性器件在生物医学、组织工程、微光学及智能微机械等领域广泛应用。依据目前的研究进展,基于水凝胶器件的性质,包括响应速度、运动取向及应用拓展都有长足进步。除宏观器件,基于水凝胶材料的微纳器件,特别是具有三维可设计结构的微纳器件,有望在介入微创、成骨支架、三维细胞培植、药物缓释等领域有潜在应用。对比于现有的微纳制备技术,飞秒激光直写具有可设计、高精度、能实现复杂三维构型的优点,并且在加工过程中能灵活分步加工及原位集成加工,用于实现复杂多样化的水凝胶功能微器件的构建具有优势。面向提升宏观水凝胶基器件性质,包括实现快速响应、可控取向及多样化驱动应用,和探索微纳水凝胶器件的可控制备、环境响应、集成及在信息传递、光学探测、生物模拟等领域潜在应用,本文开展了紫外光刻的方法制备宏观尺度响应性水凝胶功能器件,并对器件的性能及应用进行研究;通过飞秒激光直写加工方法制备出溶胀性能可调的微观结构;并且通过两步直写加工方法,我们实现了水凝胶材料同丙烯酸酯类材料的复合结构的制备;将能动态调焦的水凝胶微透镜集成入具有对称双通道的芯片中,首次真正的实现了光流微流集成。主要成果具体如下:1.制备了具有快速灵敏响应性的水凝胶薄膜致动器。以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)为主体通过紫外光聚合制备水凝胶薄膜,薄膜对周围环境相对湿度变化具有灵敏的响应性。在湿度梯度下,薄膜会自发形变运动,并且对生理湿度具有快速响应。薄膜中罗丹明B的引入使其在不同相对湿度下呈现不同程度的粉红色,这一性质使薄膜具有对环境相对湿度的监测和指示功能。对多种挥发性极性有机溶剂的响应形变能力拓宽了薄膜的应用范围。我们还制备了具有高湿度灵敏性和良好机械性能的明胶水凝胶薄膜,将明胶薄膜同PVDF压电薄膜结合,通过湿度驱动明胶薄膜的形变带动压电薄膜形变产生压电信号,使其可作为一种水分蒸发驱动的压电发电机。2.针对水凝胶的溶胀为各项同性,不能实现可控各向异性形变的问题,引入互穿网络结构实现水凝胶薄膜湿度驱动下的可控取向形变。在光聚合PEG-DA水凝胶薄膜的基础上,通过第二次紫外光刻的方法在薄膜内引入刚性PEG-DA/PMMA互穿网络结构。掩膜光刻使含互穿网络的区域同不含互穿网络区域按照光栅条纹排列,在水凝胶薄膜吸水过程中,互穿网络结构条纹能够限制水凝胶溶胀实现定向的卷曲形变。利用这种可控取向形变的水凝胶片,我们制备了在湿气驱动下能够自动卷起与展开的窗帘结构,以及高湿度下自动断电的安全开关结构,两种结构稳定工作,具有良好性能。3.基于飞秒激光直写的微纳3D打印实现水凝胶微纳器件的制备。水凝胶微结构在湿润环境下吸水溶胀,我们研究了直写加工参数对微结构溶胀能力的影响。通过优化加工参数使微结构具有合适的溶胀能力,成功设计并制备出可实现纳米互联功能的微结构阵列及仿植物气孔微结构。利用两步飞秒激光直写加工方法,实现了PEG-DA水凝胶同丙烯酸酯类材料的结合,制备的二进制编码复合微柱阵列可用于信息存储及传递等。4.飞秒激光直写制备动态可调焦的PEG-DA水凝胶微透镜。利用PEG-DA水凝胶对环境溶液中Cl-浓度的响应性制备动态可调焦水凝胶微透镜,通过改变环境溶液中的Cl-浓度,水凝胶微透镜发生可逆的溶胀和收缩,能够改变微透镜的焦距,实现对距微透镜不同距离微结构的成像。通过紫外光刻方法制备具有对称通道结构的光流微流孪生通道芯片,将水凝胶微透镜原位集成入光流微流孪生通道芯片的光流通道内,对微流通道内粒子和细胞进行实时探测成像,首次实现了光流微流集成。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O648.17;O484;TN249

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