双层网络水凝胶的分子构造及摩擦性能研究

发布时间：2017-05-26 01:11

  本文关键词：双层网络水凝胶的分子构造及摩擦性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物医学材料由于要适应生物体复杂的环境，在生物相容性、力学强度、润滑等多方面均需要达到与天然材料相近的性能。近年来，随着生物医学的发展，一些特殊的人工替代材料在临床治疗上也实现了应用。水凝胶因具有与人体软组织相似的结构而成为其理想的替代材料，长久以来力学强度不足一直制约着水凝胶在软组织替代材料方面的应用，直到高强度的双层网络（double network）水凝胶出现。基于高强度双层网络水凝胶的概念，合成出海藻酸钠/聚丙烯酰胺（SA/PAAm）水凝胶、聚乙烯醇/聚丙烯酰胺（PVA/PAAm）水凝胶、聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物（PNaAMPS/PNa (AAm-co-AA)）三种水凝胶，研究了第一层网络的交联方式以及两层网络所带电荷对双层网络水凝胶性能的影响。实验结果表明： SA/PAAm水凝胶断裂伸长率达到11200%，表现出优异的延展性。有缺口的SA/PAAm水凝胶试样断裂伸长率仍达到4300%，显示出极低的缺口敏感性和高效的能量耗散。由于离子交联键的再生功能，SA/PAAm水凝胶具有优异的瞬时疲劳修复能力，在结构遭到破坏后，力学强度可立即由4%恢复至30%。离子溶液环境对SA/PAAm水凝胶的力学强度和摩擦性能具有较大的影响，CaCl2溶液中，SA/PAAm水凝胶第一层网络的交联度大大提高，使得凝胶整体溶胀度减小，模量提高，但溶液的德拜长度不足以屏蔽SA分子链与基板间电荷排斥作用；NaCl溶液中，Na+离子会和已与海藻酸钠缔合的Ca2+离子发生离子交换，使得SA/PAAm水凝胶的第一层网络交联度减小，同时Na+离子屏蔽了SA分子链与基板之间的电荷排斥作用，使得PAAm网络与玻璃之间的吸附作用效果增强，因此凝胶在NaCl溶液中的摩擦力较CaCl2中大。 PVA/PAAm水凝胶相对于单层PVA及PAAm网络的水凝胶力学强度及能量耗散性能均得到较大的提高。对结构遭破坏的PVA/PAAm水凝胶施加一次-20℃（20h）、25℃（4h）的冻融循环，其压缩模量相对于破坏时提高了69%，这是由于第一层PVA网络中的氢键在冻融循环过程中再次生成。由于PVA与PAAm均与玻璃基板之间呈现一定的吸附作用，PVA/PAAm水凝胶与玻璃基板之间存在较强的相互吸附作用。 对聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠/聚丙烯酰胺（PNaAMPS/PAAm）水凝胶的第二层网络进行改性，使AAm与丙烯酸钠（AAS）共聚，合成出两层网络均带负电荷的PNaAMPS/PNa (AAm-co-AA)水凝胶。第二层网络负电解质的引入使得两层网络之间的排斥作用力增强，凝胶内应力增加，加之丙烯酸钠中羧酸基团-COO-的亲水性较酰胺基团-CONH2的亲水性更大，使得共聚改性后的水凝胶较未改性的平衡溶胀度更大，且呈现出硬而脆的特性。由于第二层网络负电解质的引入，使得凝胶与基板之间的相互作用方式发生改变，，由原本的相互吸附变为相互排斥，摩擦应力得到大幅度减小，与玻璃基板之间的摩擦系数达到0.001，与动物关节软骨间的摩擦系数相近。
【关键词】：双网络水凝胶 交联 高强度 自修复 摩擦
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 水凝胶的应用领域11-13
• 1.1.1 软组织替代材料11-12
• 1.1.2 药物传输载体12
• 1.1.3 生物传感器12-13
• 1.2 水凝胶的摩擦13-16
• 1.2.1 吸附-排斥模型13-14
• 1.2.2 影响水凝胶摩擦行为的因素14-16
• 1.3 高强度水凝胶16-19
• 1.3.1 影响水凝胶力学强度的因素17
• 1.3.2 几种高强度水凝胶17-19
• 1.4 自修复水凝胶19-20
• 1.5 本课题的研究目的与内容20-21
• 第2章 实验部分21-29
• 2.1 实验原料及仪器选择21-22
• 2.2 水凝胶的制备22-25
• 2.2.1 PNaAMPS/PAAm 水凝胶的制备22
• 2.2.2 SA/PAAm 水凝胶的制备22-24
• 2.2.3 PAAm/SA 水凝胶的制备24
• 2.2.4 PVA/PAAm 水凝胶的制备24
• 2.2.5 PNaAMPS/PNa ( AAm-co-AA ) 水凝胶的制备24-25
• 2.3 水凝胶的分析测试方法25-29
• 2.3.1 力学性能测试25-26
• 2.3.2 摩擦性能测试26-28
• 2.3.3 溶胀度测试28
• 2.3.4 扫描电镜分析28
• 2.3.5 红外光谱分析28-29
• 第3章 离子-共价交联双层网络水凝胶29-52
• 3.1 前言29
• 3.2 SA/PAAm 水凝胶的力学性能分析29-38
• 3.2.1 SA/PAAm 水凝胶的力学强度29-31
• 3.2.2 SA/PAAm 水凝胶的能量耗散31-32
• 3.2.3 SA/PAAm 水凝胶的缺口敏感性32-34
• 3.2.4 SA/PAAm 水凝胶的疲劳修复性能34-37
• 3.2.5 SA/PAAm 水凝胶的结构示意图37-38
• 3.3 SA/PAAm 水凝胶在不同离子溶液中的摩擦行为分析38-46
• 3.3.1 离子溶液对凝胶本体结构的影响38-39
• 3.3.2 浸泡时间对凝胶摩擦的影响39-40
• 3.3.3 双层网络结构对凝胶摩擦的影响40-42
• 3.3.4 离子环境对凝胶摩擦的影响42-43
• 3.3.5 第二层网络对凝胶摩擦的影响43-44
• 3.3.6 压力对凝胶摩擦的影响44-46
• 3.4 微观结构分析46-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第4章 氢键-共价交联双层网络水凝胶52-65
• 4.1 前言52
• 4.2 PVA/PAAm 水凝胶的力学性能分析52-58
• 4.2.1 PVA/PAAm 水凝胶的力学强度52-54
• 4.2.2 PVA/PAAm 水凝胶的缺口敏感性54-55
• 4.2.3 PVA/PAAm 水凝胶的疲劳修复性55-58
• 4.3 PVA/PAAm 水凝胶的摩擦行为分析58-61
• 4.3.1 双层网络对水凝胶摩擦的影响58-59
• 4.3.2 正压力对水凝胶摩擦的影响59-61
• 4.4 微观结构分析61-64
• 4.4.1 扫描电镜分析61-62
• 4.4.2 红外谱图分析62-63
• 4.4.3 结构示意图63-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第5章 带负电荷的双层网络水凝胶65-75
• 5.1 前言65
• 5.2 力学性能分析65-68
• 5.3 摩擦行为分析68-72
• 5.3.1 两层网络电负性对水凝胶摩擦的影响68-69
• 5.3.2 基板极性对水凝胶摩擦的影响69-71
• 5.3.3 压力对水凝胶摩擦的影响71-72
• 5.4 微观结构分析72-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第6章 结论75-77
• 6.1 结论75
• 6.2 展望75-77
• 参考文献77-82
• 致谢82-83
• 附录83

【参考文献】

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本文编号：395453