壳聚糖在碱/尿素水体系中的溶解及其高强度智能水凝胶构建

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作者：

段将将

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摘要：

水凝胶是一类软材料,由三维聚合物网络和大量水构成.它与人体软组织具有类似的理化性质,因此誉为最为理想的生物医用材料.壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖,不但具有一般天然高分子的通性,如优异的生物相容性,生物降解性,无毒性等,而且具有一些功能,如生物活性,抑菌性,抗氧化性,pH敏感性,亲和性,以及组织粘附性等.因此,壳聚糖基水凝胶材料备受关注,并在组织修复,药物缓释,DNA/RNA传递转录,污水处理,食品农业等领域展现出巨大应用前景.尽管如此,壳聚糖水凝胶较弱的力学性能使其在实际应用中受到很大限制.近年,通过纳米填充以及与其他合成高分子复合,构建得到的壳聚糖复合水凝胶力学性能得到一定程度的改善,但提高幅度有限,甚至以牺牲壳聚糖固有性质(如生物相容性,生物可降解性等)为代价.此外,关于壳聚糖智能水凝胶的文献报道很少.因此,本论文旨在寻找构建新型高强度,智能壳聚糖水凝胶新途径,并初步探索其在生物医学领域的应用前景.内容涉及高分子物理,高分子化学和生物医学等交叉学科领域,是国际前沿研究领域之一本论文的主要创新包括以下几点:(1)通过冷冻-解冻法,首次将壳聚糖溶解于碱/尿素水溶剂体系,并构建得到纳米纤维编织的高强度,pH敏感型壳聚糖水凝胶;(2)基于碱/尿素水溶剂体系,首次制备出壳聚糖基双向自卷曲智能水凝胶以及一系列智能水凝胶驱动器;(3)基于碱/尿素水溶剂体系,通过静电层层自组装涂覆技术,首次制备出壳聚糖表面自起皱微球,并揭示了褶皱形成机理以及调控方式;(4)基于碱/尿素水溶剂体系,利用pH敏感壳聚糖微球作为填充相,首次制备出高强度,超拉伸,力敏感型导电水凝胶,并评估其作为电子皮肤的应用前景;(5)利用再生纤维素微球微纳米孔洞作为微反应器,首次制备出磁性纤维素/TiO2纳米复合微球,它展现出高效选择性富集磷酸化多肽性能;(6)基于琼脂糖特有的溶胶-凝胶相转变行为,首次制备出高强度,热塑性水凝胶,并建立理论模型预测和评价不同组分水凝胶的热塑性.本论文主要研究内容和结论概括如下.突破传统的酸溶解壳聚糖方法,通过冷冻-解冻过程,首次将壳聚糖溶解于一种全新的碱/尿素溶剂体系(4.5 wt%LiOH/7 wt%KOH/8 wt%尿素)中,进而制备出纳米纤维组成的高强度壳聚糖水凝胶.溶解机理是壳聚糖与溶剂分子通过氢键作用形成伸展的蠕虫状包合物,导致它们以分子级分散于该水溶液中.在该碱性水溶液中,刚性壳聚糖链倾向于平行排列形成纳米纤维聚集体.升高温度或浓度,纳米纤维之间相互缠结或通过氢键交联形成三维水凝胶网络.由于这种特殊的纳米纤维三维网络结构,碱体系构建的壳聚糖水凝胶展现出优良的力学性能,其压缩强度与传统酸溶剂体系构建的壳聚糖水凝胶相比,提高近100倍.此外,这种新型壳聚糖水凝胶表现出优良的生物相容性,pH敏感性以及智能药物释放行为,是一种性能卓越的生物医用材料.基于碱/尿素溶剂体系,通过仿生学设计,首次制得一种由壳聚糖(CS)和纤维素/羧甲基纤维素(C/CMC)组成的智能自变形双层水凝胶.由于CS和C/CMC之间存在很强的静电相互作用以及化学交联键,导致双层水凝胶紧密贴合.基于CS与C/CMC之间显著的溶胀性差异,双层水凝胶在pH诱导下表现出快速,可逆,双向自变形行为,且具有优良的变形循环稳定性.利用其自变形行为,进而构建出一系列复杂3D结构水凝胶以及智能驱动器,例如具有自变焦行为的智能仿生晶状体,能够抓举重物的仿生机械手以及可自行封装微球的智能胶囊等.由此可见,这种基于天然高分子的自变形水凝胶在生物医用领域具有广阔应用前景.基于壳聚糖微球的酸诱导溶胀行为,通过静电层层自组装在其表面引入刚性Au纳米颗粒层,构建具有表面自起皱结构的新型壳聚糖微球.Au纳米颗粒,壳聚糖以及海藻酸钠之间存在静电,氢键以及配位相互作用,从而导致刚性纳米颗粒层与壳聚糖微球表面紧密结合.通过调节涂层厚度,可精密调控微球表面褶皱结构.此外,微球溶胀性以及涂层结构是其形成表面褶皱结构的两个关键条件.这种表面自起皱壳聚糖微球在固定化酶,催化,油水分离,细胞识别和筛分等领域具有应用前景.基于纳米纤维骨架结构,壳聚糖微球呈现高韧性.在溶胀的壳聚糖微球胶体溶液中依次原位合成聚丙烯胺酰胺和聚苯胺,首次制得高强度,超拉伸,力敏感性导电水凝胶(MC-Gel) o该水凝胶呈现两相复合结构,即致密网络结构的微球分散相和疏松网络结构连续相.在MC-Gel水凝胶中,具有多重网络互穿结构的壳聚糖微球起多重作用:第一,微球作为宏观交联微区,赋予水凝胶高强度,超拉伸性能(可拉伸600%以上);第二,微球与基底性能差异,导致水凝胶表面形成褶皱结构,进而显著改善凝胶力敏感性.MC-Gel水凝胶对小应力(1kPa)具有高敏感性,且能够探测到非常宽的应力范围(100 Pa-101MPa).同时,MC-Gel水凝胶展现出优良的力学和电学稳定性以及快速刺激响应速度.作为电子皮肤,MC-Gel凝胶能够精确跟踪监测人体手掌的抓握运动以及玩具青蛙的跳跃过程.因此,MC-Gel水凝胶是一种理想的电子皮肤材料,在生物医学以及光电等领域具有广阔应用前景.利用纤维素微球中微纳米孔洞作为微反应器原位合成TiO2,首次构建出磁性纤维素/TiO2纳米复合微球(MCTiMs).具有微纳米多孔结构的纤维素基底对控制和调节TiO2的合成以及保护其结构与性能起到了至关重要的作用,从而导致它可以在苛刻的环境中保持稳定.MCTiMs微球能够从痕量β-酪蛋白和人血清中出高效选择性富集磷酸化多肽.值得注意的是,对于β-酪蛋白与BSA的摩尔比为1:1000的蛋白质混合物,MCTiMs微球依然表现出显著的富集效果,且其富集能力远远高于商品级纳米TiO2.由此可见,MCTiMs微球是一种理想的磷酸化多肽富集材料,可辅助质谱对复杂生物样品进行精确分析.基于琼脂糖特有的溶胶-凝胶转化行为,首次将含有丙烯酰胺单体的琼脂糖水凝胶光引发聚合,制得具有双网络结构的高强度热塑性水凝胶(TPG).在TPG凝胶中,纳米纤维组成的琼脂糖网络作为刚性骨架,赋予水凝胶高强度.低交联密度的柔性聚丙烯酰胺网络与琼脂糖网络相互穿插,赋予水凝胶高韧性.同时,琼脂糖网络在大形变过程中作为牺牲键,耗散大量破坏能,防止应力集中以及破坏性裂纹产生,从而导致水凝胶具有强韧的力学性能.更为重要的是,琼脂糖网络通过加热可破坏和再生,从而赋予水凝胶优良的力学可恢复性以及热塑性.与热塑性塑料相似,TPG凝表可反复加热软化,冷却硬化,展现出优良的热成型加工性能.值得注意的是,该水凝胶可以进行宏观以及微观塑型,从而得到具有复杂3D形状以及精细表面图案化的水凝胶制品.此外,建立的理论模型可对不同组分水凝胶的热塑性进行预测与评估.由此可见,这种具有优良热塑性的高强度水凝胶将在组织工程,微流控,生物芯片,智能传感器等领域具有应用前景.本工作成功突破了壳聚糖等天然多糖水凝胶力学性能较弱的瓶颈,进而构建得到一系列高强度,智能水凝胶材料,不仅具有明显创新性,而且极大地拓展了它们的应用范围.可以预见的是,这些性能优良的天然聚多糖基水凝胶材料在生物医学领域将具有广泛应用前景.

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关键词：

壳聚糖 高强度水凝胶 智能水凝胶 碱/尿素溶剂体系 琼脂糖 微球

年份：

2016