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双层网络水凝胶的分子构造及摩擦性能研究

作　者: 吴楚
导　师: 李学锋
学　校: 湖北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 双网络水凝胶交联高强度自修复摩擦
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
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

双层网络水凝胶的分子构造及摩擦性能研究

内容摘要

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