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    刺激响应型智能水凝胶的设计与合成机械分析

    来源: www.workforlgbt.org 发布时间:2020-03-23 论文字数:32655字
    论文编号: sb2020031922421030018 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
    本文是一篇机械论文,本文是一篇机械论文,本论文基于动态建构化学理念,结合动态可逆共价键和非共价键,构建了两种刺激响应型智能水凝胶,包括近红外光引发自愈合的二硫化钼纳米片复
    本文是一篇机械论文,本论文基于动态建构化学理念,结合动态可逆共价键和非共价键,构建了两种刺激响应型智能水凝胶,包括近红外光引发自愈合的二硫化钼纳米片复合水凝胶和基于配位-络合双重交联的多重刺激响应性水凝胶。此外,还对自愈合水凝胶在生物医学领域中的应用进行探究。主要内容总结如下:基于氢键作用,利用聚乙烯醇和巯基化二硫化钼纳米片构建了具有快速自愈合能力的PVA-MoS2 复合水凝胶(简称 PM 水凝胶)。其愈合过程通过近红外光引发实现,为远程控制智能自愈合水凝胶提供新的思路。在制备凝胶之前,采用配位键合对二硫化钼纳米片进行表面修饰。此外,还对多种影响因素(光照时间、PVA 和 MoS2含量、界面分离时间)进行探索以实现条件最优化。该水凝胶具有优异的力学性能(25 wt% PVA 和 0.05 wt% MoS2,力学强度为 216 kPa)、愈合效率(NIR 照射 3 min,愈合效率为 91.8 %)、生物相容性(92 %细胞存活率)以及药物释放率(85.58  %的 Cy5.5 释放量)。而且,断裂部位在长时间分离之后,仍表现良好的自愈合性能(界面分离 24 h,愈合效率 60.6 %)。

    第一章 绪论

    1.1 引言
    水凝胶是一类具有三维网络结构的软材料,用于构建水凝胶的聚合物链通常带有亲水基团(如羧基、氨基、羟基等),能够吸收大量的水而溶胀并维持原有的结构不变[1],其溶胀行为、力学强度等性能可以通过一系列物理或化学的方法来调节。
    智能水凝胶作为一种新兴材料,除了具备传统水凝胶的基本性质外,还可以在化学或物理刺激下,促使构象或功能发生改变并作出响应[2-4]。由于智能水凝胶制备简单,具有多孔结构,尤其是生物相容性好,很多生物材料封装在里面,结构不遭受破坏,性能稳定,依然可以保持良好的生物活性[5],再加上对各种外界环境具有响应性,广泛应用于传感[6-8]、药物递送[9,10]、组织工程[11,12]、自愈合材料等领域[13]。
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    1.2 自愈合水凝胶
    由于水凝胶具有优异的力学性能和良好的生物相容性,其在生物医学领域具有潜在应用。材料在使用过程中难免会出现裂纹,而绝大多数水凝胶缺乏自修复能力,结构的破坏限制其使用寿命。近年来,科学家基于动态建构化学理念开发出具有自愈合性能的水凝胶,其中“动态性”和“可逆性”是动态建构化学最显著的特点[14-17]。根据化学键的可逆性,划分为动态共价键和动态非共价键。动态共价键有硼酸酯键、二硫键、酰腙键、可逆自由基反应等;动态非共价键有聚合物-纳米复合材料、氢键、静电作用、金属配位键、主-客体作用等[18]。水凝胶要完成自愈合过程,其结构中的聚合物链必须含有特殊的官能团。当材料受到破损时,通过物理或化学的作用促进键的断裂和重新形成,实现自修复的目的。由于愈合过程的可逆性,受损区域通常能够多次被修复。值得一提的是水凝胶要能够发生有效愈合,需要具备两个特征。其一,在材料受损部位要能够形成“流动相”,确保聚合物链有充分的流动性[19]。其二,根据材料的特性,考虑其愈合过程是否需要外界条件的刺激[18]。
    图 1.1  基于动态建构化学理念的水凝胶的自愈合机理
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    第二章 近红外光引发快速自愈合的聚乙烯醇-二硫化钼复合水凝胶的合成及生物应用

    2.1 引言
    近年来,自愈合水凝胶由于具有优异的修复损伤能力而引起相当大的兴趣。在设计自修复水凝胶时,氢键是一种最常用的物理作用力[13,18,72,73]。然而,这类基于氢键构建的水凝胶面临着两个重要挑战。首先,修复过程通常需要较长的愈合时间才能恢复其机械性能[73-75]。其二,受损水凝胶长期暴露在外界环境中引起的愈合性能的显著降低[26,76]。如果破损的水凝胶不能立即进行有效愈合,受损表面上的官能团将会发生重新排列,形成新的氢键使得其表面能最小化。结果,随着分离时间的增加,游离氢供体和受体的总量逐渐减少,导致愈合性能的下降。引入热刺激能够有效加速愈合过程,并克服长分离时间导致愈合效率低下的不利影响[77,78]。然而,直接加热在实际应用中受到材料的热导率、几何形状和可接近性的限制,而且会使整个材料温度升高,影响材料的整体性能[79]。
    近年来,由于光引发的自愈合水凝胶具有可控性,对其研究兴趣日益增长[80,81]。通常采用远程控制光照射的方式来引发并完成“按需”愈合过程。与直接加热方式相反,光照射可以引发材料的局部修复而不影响其他未损坏区域,在光照射下实现受损部位精确的局部热活化[82]。因此,采用光刺激以改善基于氢键的水凝胶的愈合性能具有良好的应用前景。二硫化钼纳米片是一种新型的二维层状纳米材料,在近红外光照射下能够有效地将光能转化成热能,已成为一种优良的光热转换剂[83,84]。MoS2纳米片通过超声辅助的化学剥离方法能够大量合成,并且易于表面功能化[33,85,86]。因此,将化学剥离的 MoS2纳米片(ce-MoS2)引入到基于氢键的水凝胶中,有望将近红外光转换成局部热量,从而提高愈合效率。
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    2.2 实验部分
    2.2.1 实验药品与试剂
    二硫化钼粉末(< 2 μm, 99 %,Sigma-Aldrich),氩气,氮气,DL-二硫苏糖醇(DTT,99 %,Sigma-Aldrich),正丁基锂(n-BuLi,2.4 M 己烷溶液,Alfa Aesar),透析袋(Viskase,14 kDa),聚乙烯醇(PVA,分子量 145 k,98 %水解,阿拉丁),无水乙醇(国药),超纯水(Millipore, 18.2 MΩ),(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)(MTT,凯基生物),4T1 乳腺癌细胞(凯基生物),10  %胎牛血清(FBS,凯基生物),DMEM 培养基(凯基生物),裸鼠(凯基生物),青色素 5.5(Cy5.5,凯基生物)。
    2.2.2 实验仪器与设备
    哑铃形模具(12  mm×3  mm×2  mm,福达氟塑),恒温加热磁力搅拌器(DF-101S,上海实贝仪器设备厂),万能拉力测试机(AG-X plus,量程 100 N,日本岛津公司),透射电子显微镜(TEM,H-7500, Hitachi Co, Tokyo, Japan),紫外-可见分光光度计(UV-3600,日本岛津公司),扫描电子显微镜(SEM, Model S-4800, HitachiCo, Tokyo, Japan),X 射线光电子能谱仪(XPS,Kratos AXIS Ultra 85 spectrometer),电子天平,真空干燥箱(上海实贝仪器设备厂),红外热像仪(Testo,875-1i),25 mL 反应管,计时器,刀片,近红外光激光器(785 nm,0.5  W/cm2),5 m L 注射器,超声波清洗仪(53 KHz,科导超声),双排管,真空泵,离心机(Sigma,3-30 KS),锥形瓶,长针头,离心管,反应瓶,Transwell 24 孔板(凯基生物),体内成像系统(IVIS,Lumina K Series  Ⅲ,Perkin Elmer)。
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    第三章  多重刺激响应性智能水凝胶的设计与制备 ...................................... 31
    3.1  引言 ......................................... 31
    3.2  实验部分 ........................................... 32
    3.2.1  实验药品与试剂 ................................... 32
    3.2.2  实验仪器与设备 ......................................... 33
    第四章  总结与展望 ........................................ 46

    第三章   多重刺激响应性智能水凝胶的设计与制备

    3.1 引言
    水凝胶是一种具有三维网络结构的亲水性软材料,一般通过共价或非共价交联的方法制备得到。受天然智能材料的启发,科学家设计出一些能够对外界多种刺激作出显著响应的智能水凝胶,比如 pH 值、离子强度、葡萄糖浓度、酶活性、光等[94-97]。因此,这类智能材料在多种应用中,尤其是在生物医学和组织工程中已经展现出极大的潜力。然而,目前报道的绝大多数响应性水凝胶仅对一种或两种刺激作出响应,尤其是具有多重响应的智能水凝胶更是少之又少,这主要是因为材料本身固有的多重敏感性有限导致的[98]。与单重响应体系相比,双重或多重响应性水凝胶能够对两个或更多个环境刺激作出变化。因此,为了满足严格和多样化的需求,制备具有多重响应性的功能性水凝胶的新材料或新策略是当务之急。
    在碱性环境中,二醇与硼酸反应形成硼酸酯络合物,其稳定性与体系中的 pH 值密切相关。Guan 等人[99]总结了各种含硼酸水凝胶的设计和合成方法以及它们的性质和在生物医学中的应用。此外,他还通过枝状邻苯二酚衍生物 PEG 与 1,3-苯硼酸制备得到苯硼酸-邻苯二酚交联的水凝胶,该水凝胶对 pH 值具有明显的依赖性。然而这些材料也存在一些缺陷,比如形成凝胶时间长和难以调节前体溶液的比例[30]。糖类衍生物是最常用于构建含硼酸酯键水凝胶的邻二醇物质[100,101]。
    图 3.1(a)交联剂制备;(b)AMP-PBA-Ag+ Gel 制备原理图
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    第四章 总结与展望


    智能水凝胶作为一种新型材料,特别是自愈合水凝胶和刺激响应型水凝胶,近年来备受研究人员关注。本论文基于动态建构化学理念,结合动态可逆共价键和非共价键,构建了两种刺激响应型智能水凝胶,包括近红外光引发自愈合的二硫化钼纳米片复合水凝胶和基于配位-络合双重交联的多重刺激响应性水凝胶。此外,还对自愈合水凝胶在生物医学领域中的应用进行探究。主要内容总结如下:

    基于氢键作用,利用聚乙烯醇和巯基化二硫化钼纳米片构建了具有快速自愈合能力的PVA-MoS2 复合水凝胶(简称 PM 水凝胶)。其愈合过程通过近红外光引发实现,为远程控制智能自愈合水凝胶提供新的思路。在制备凝胶之前,采用配位键合对二硫化钼纳米片进行表面修饰。此外,还对多种影响因素(光照时间、PVA 和 MoS2含量、界面分离时间)进行探索以实现条件最优化。该水凝胶具有优异的力学性能(25 wt% PVA 和 0.05 wt% MoS2,力学强度为 216 kPa)、愈合效率(NIR 照射 3 min,愈合效率为 91.8 %)、生物相容性(92 %细胞存活率)以及药物释放率(85.58  %的 Cy5.5 释放量)。而且,断裂部位在长时间分离之后,仍表现良好的自愈合性能(界面分离 24 h,愈合效率 60.6 %)。
    基于 AMP 与 Ag+配位、AMP 与 4-arm-PEG-PBA 络合的双重交联,制备得到具有纳米纤维网络结构的刺激响应型智能水凝胶。由于化学键的动态可逆性以及银纳米簇本身的光学特性,使得该水凝胶在光、pH、离子、力(振动和超声)、葡萄糖、酶的刺激下,能够引发凝胶-溶胶转变,同时伴随着荧光信号的变化。此外,还对凝胶-溶胶的相变过程和荧光猝灭机理进行探究。配位和络合形成的双重交联维持凝胶结构的稳定性,破坏其中的任何一重交联都会导致凝胶结构的瓦解。配体稳定的银纳米簇赋予凝胶具有荧光性能,没有配体的保护,银纳米簇在溶液中就会发生聚集,导致荧光信号的猝灭。而且,部分银纳米簇尺寸增大,变成银纳米颗粒会导致荧光强度的降低。这为多重响应性智能水凝胶的探索提供了新的思路。
    参考文献(略)


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