论文部分内容阅读
水凝胶在生产和生活中的应用越来越广泛，但是普通合成水凝胶通常机械性能很差（尤其是在较高含水量时），这极大地限制了水凝胶的使用范围。很多动植物本身就是一种生物凝胶，它们在含有大量水分的同时依然具有相当优异的力学性能，最鲜活的例子就是海蜇。因为长期的演化已经赋予它们复杂、多层次且有效的结构以应对大量的来自大自然的挑战。因此，师法自然是一种很有前景的设计和制备具有特定性能水凝胶的方法。本文以海蜇中胶层为仿生研究对象，在对其微结构和力学性能研究后，采用定向冷冻氧化还原引发聚合法，以小分子单体为起始材料，制备了类海蜇中胶层结构和性能的仿生凝胶，并研究了其结构和性能。此外，本文还探索了以天然大分子（淀粉）为起始原料通过定向冷冻—解冻法制备仿生凝胶。
本文的主要内容如下:
（一）我们研究了一种可食用海蜇（Rhopilema esculenta Kishinouye）的中胶层的结构、机械性能和溶胀性能。扫描电镜观察显示，海蜇中胶层具有由均匀分布的纳米级薄膜和纤维构成的层状多孔结构。研究了水溶胀平衡的海蜇中胶层的拉伸和压缩性能以及干海蜇中胶层的拉伸性能，结果显示，海蜇中胶层即使在很高的含水量（约为99wt％）下仍显示出较高的拉伸强度(0.17Mpa)和压缩强度(1.43MPa)，海蜇中胶层的力学性能超过几乎所有的含水量的相当或稍低的合成水凝胶的力学性能。海蜇中胶层在酸性和碱性缓冲溶液中溶胀后都会使力学性能降低。干海蜇中胶层样品具有很高的、接近于合成塑料的拉伸强度和模量。研究了海蜇中胶层在不同pH值溶液中的溶胀性能，海蜇中胶层表现出pH值敏感性，且在不同pH值溶液中显示出有趣的各向异性溶胀行为:海蜇中胶层在高度上溶胀（膨胀），但是在长度和宽度上去溶胀（收缩）。该现象在合成水凝胶中未见报道。本部分研究内容可以激发凝胶研究的人员在设计和制备具有完善的微结构和独特力学性能及溶胀性能的水凝胶提供新的理念。
（二）我们证明一种以小分子单体作为起始材料，通过定向冷冻氧化还原引发聚合法(DFRP)制备各向异性水凝胶的方法，并用该方法制备了具有各向异性孔洞结构和力学性能的聚（2-甲基丙烯酸羟乙酯）(PHEMA)水凝胶。扫描电镜观察发现，PHEMA水凝胶在平行于冷冻方向上为较长和较宽（达几十微米）的定向排列的孔道结构，而在垂直冷冻方向上为多孔结构。孔道和孔的尺寸随着冷冻速率增大而降低。拉伸、压缩和撕裂测试表明该凝胶（含水量为70wt％）具有很好的力学性能，拉伸强度可达0.44Mpa，压缩强度超过20Mpa，并且撕裂能达到1000Jm-2。更重要的是，PHEMA水凝胶的机械性能（包括拉伸断裂强度，压缩强度，模量以及撕裂能）表现出显著的各向异性，即平行冷冻方向上的优于垂直冷冻方向上的。此外，PHEMA水凝胶也显示出不同于普通合成水凝胶的溶胀性能。这种各向异性的高强度PHEMA水凝胶可能会有更多的应用。
（三）我们证明了以HEMA和AAm为原料，采用DFRP法制备了一种聚（2-甲基丙稀酸羟乙酯-co-丙烯酰胺）P(HEMA-co-AAm)水凝胶。SEM观察发现该凝胶也具有各向异性的微结构，特点是其上带有微孔（大孔）的定向排列的层状网络结构。溶胀和去溶胀测表明，该凝胶具有较快的溶胀和去溶胀率。更有趣的是，凝胶中大量绝大多数的水能被挤出，并且该凝胶失水后立刻浸入到水中，它会很快吸水达到初始状态。凝胶从不同方向的压缩测试实验显示该凝胶也具有各向异性的失水性能。也就是说，即水易沿着平行冷冻方向的两个端面流出。力学性能测试表明，这种P(HEMA-co-AAm)水凝胶的拉伸和压缩性能都存在着一定的各向异性。
（四）我们研究了另一种生物凝胶—海带的微结构和力学性能，结果显示，海带也具有各向异性结构和各项异性且比较优异的力学性能。我们利用马铃薯淀粉通过定向冷冻—解冻方法制备了类海带水凝胶。制备的淀粉水凝胶显示出各向异性结构，即在平行冷冻方向上为较长的规则框架结构即垂直冷冻方向上的多孔结构。同时，我们研究了如淀粉浓度、定向冷冻—解冻循环次数和交联剂的用量等影响因素。结果显示，淀粉凝胶的力学性能随着淀粉浓度和冷冻—解冻循环次数的增加而增强。
可以预期，对海蜇中胶层和仿生凝胶的研究可能会为制各具有新颖微观网络结构和性能的水凝胶提供新的想法，并且能促进水凝胶在生物领域，如组织工程、人造肌肉、药物传输、海蜇机器人等方面的更广泛地应用。