快速响应型纳米复合水凝胶微结构调控与协同响应机制研究

Smart hydrogels have become a hot topic of science research, which have been applied in many fields, like drug release, tissue engineering, biosensor and biomaterial. However, traditional chemical cross-linked hydrogels have slow responsive rate, weak mechanical properties etc, which greatly restrict its application and function. To overcome the above-mentioned shortcoming, we plan to manipulate the network structure of porous nanocomposite hydrogels via electric field induced-frozen polymerization and make the porous structure highly orientated and interconnected of vertical direction to achieve fast response on the macrostructure. The formation and evolution process of porous network will be revealed according to the investigation of porous structure and the distribution. Additionally, through the synergic effect between porous structure and microstructure of hydrogels, the relationship between porous network, microstructure of the body hydrogels and the whole hydrogel response will be obtained. Meanwhile, the synergic effect between porous network structure and microstructure of the body hydrogels on response performance of the hydrogels system can be found, which can provide a theoretical basis and method for actual production of rapid response nanocomposites hydrogels.

智能水凝胶因其独特的性能在药物控制释放、组织工程、生物传感器以及生物材料等领域有广泛应用。传统有机交联凝胶存在响应速率慢，机械性能差等缺陷，极大限制其应用。为了克服上述缺点，本课题拟采用电场诱导-冰冻聚合的方法实现多孔结构的取向及垂直方向的相互连通，在宏观结构上实现水凝胶对外界刺激的快速响应；并通过氧化石墨烯（GO）调节复合水凝胶本体的微响应，以达到复合水凝胶的整体协同响应。通过多孔结构及分布形态的研究，探明多孔网络结构的形成及演变过程，并获得多孔网络结构对水凝胶响应特性影响的规律。通过宏观多孔网络结构及主体微结构的调控研究，建立多孔网络结构、水凝胶主体微结构与水凝胶总体智能响应关系，探索多孔结构形态与水凝胶本体微结构对外界环境响应的协同作用规律，揭示具有多孔网络结构的GO复合水凝胶的响应机理，为快速响应纳米复合水凝胶的结构设计提供指导。

尽管智能型水凝胶的研究引起了广泛关注，且已取得很大进展，但仍存在机械强度低、响应速率慢等局限性。为此，本课题首先采用光引发技术原位交联溶液成功合成了可注射、强压缩的纳米胶束水凝胶(NMgels)。并利用甲基丙烯酸酐和丙烯酰氯分别功能化透明质酸和F127，成功合成了含双键透明质（HAMA）和F127DA。本研究是基于物理胶束与多糖的共价交联，构建了高强韧的水凝胶，在组织工程应用方面具有广泛的前景。其次，研究了共混复合材料体系中纳米填料对水凝胶多孔结构的影响规律，通过溶胶-凝胶和冷冻干燥工艺分别制备了氧化石墨烯（GO）/再生纤维素（RCE）复合气凝胶、CNTs/GNS@CoFe2O4复合气凝胶、废报纸纤维素(WCE)/氧化石墨烯(GO)及WCE/石墨烯(GNS)复合气凝胶，系统分析了填料对气凝胶微观结构的影响以及水凝胶的溶胀特性。结果发现，GO表面的含氧官能团与纤维素形成的氢键作用力有利于气凝胶的网络交联结构。在冷冻干燥过程中，GO的添加诱导冰晶向不同方向生长，致使RCE气凝胶呈现出明显的三维片层孔洞结构，提高了RCE气凝胶的抗压缩性能。此外，本项目还将所得的研究成果拓展到了电磁屏蔽、导热、传感器及电容器等复合材料领域，也取得了较好的科研成果及良好的应用前景，如制备了具有自清洁功能的疏水电磁屏蔽复合材料、隔离型多相电磁屏蔽复合材料、电磁屏蔽及导热率兼顾的多元复合材料及有良好性能的传感器及超级电容器。