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水凝胶材料表面蛋白质吸附性能是表征其生物相容性的一项重要参数，对于医用材料的设计开发具有重要意义.利用微凝胶吸附方法在石英晶片表面获得一层高分子水凝胶膜，通过频率-耗散联用石英晶体微天平技术监测了三种微凝胶材料表面蛋白质吸附过程.牛血清白蛋白在三种微凝胶材料表面吸附量不同，单位质量微凝胶表面牛血清白蛋白吸附质量顺序为聚N,N′-二甲基丙烯酰胺>聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵>聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠，不同交联密度的同种微凝胶表面牛血清白蛋白吸附量近似.

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蛋白质吸附 高分子水凝胶 石英微晶天平

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筛选低摩擦医疗导管材料对降低因医疗导管表面摩擦较高而诱发的术后病发症，提高微创介入医疗手术质量意义重大.高分子水凝胶作为一种与人体组织结构相似的粘弹性含水材料，在低摩擦医疗导管材料中占有重要地位.此外，导管材料在使用过程中直接接触血液系统，不可避免地发生蛋白质吸附.因此，研究低荷载下，蛋白质吸附对高分子水凝胶材料表面摩擦行为的影响对设计低摩擦医疗导管具有重要指导意义.本工作研究了低荷载情况下，不同化学结构高分子水凝胶的摩擦行为，分析了水凝胶电荷(正电荷、负电荷、中性)、荷载、滑动速率、滑动基板及牛血清白蛋白吸附对摩擦行为的影响.PDMAAm水凝胶表面吸附蛋白质后，原本中性的水凝胶表面转变为略带...

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低荷载 电荷 高分子水凝胶 摩擦

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高分子水凝胶是一种由水和高分子交联网络组成的柔性材料，因其特殊的结构而具有不同于一般柔性材料的电学性能，有望作为柔性传感器件的基体材料。研究表明，以水凝胶为基体的柔性压力传感器件具有柔韧性好，响应灵敏的优点，然而因其力学强度较差，极大地限制了器件的设计和性能。 本课题选择丙烯酰胺（AAm）和聚乙烯醇（PVA）作为原料，通过二步法制备PVA/PAAm复合水凝胶。并利用PVA/PAAm复合水凝胶作为基体材料，通过3D打印技术光固化成型工艺赋予凝胶表面微米级金字塔型凸起；经组装得到PVA/PAAm水凝胶柔性压力传感器。 经分析证实该水凝胶兼具化学交联和物理交联两种交联方式。力学测试表明，水凝胶组分比例、交联剂浓度及总固含量三个参数可对力学性能产生影响，其中PVA/PAAm组分比例为7:3，交联剂浓度为0.075 mol%，总固含量为30%的复合水凝胶具有最优拉伸力学性能，其最大拉伸应力可达到1.76 MPa，最大压应力为1.59 MPa。 静压响应性能测试明，所制得PVA/PAAm水凝胶柔性压力传感器可对小于2 kPa的压力做出响应，其中在0-0.5 kPa压力范围内响应效果最好，响应灵敏度最高可达到1.92 kPa-1。分析可得基体材料力学性能与器件响应性能具有正相关性。本设计所制得柔性压力传感器可灵敏响应低压，有望作为电子皮肤、声波检测装置的元器件，在低压探测方面发挥重要作用。

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电阻型传感器 高强度 柔性压力传感器 水凝胶

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锂离子电池具有寿命长、自放电程度低、无记忆效应、环境友好性等优点，已成为现如今新能源技术研究热点。商业化石墨负极因为循环稳定、充放电电压低等优点，得到广泛的应用。但是，其较低的理论容量，仅为372 mAhg-1，已无法满足能源储存日益增长的需求。因此，研究具有高比容量的锂离子电池材料已成为新的机遇和挑战。过渡金属氧化物负极材料具有理论容量高，可达600-1000 mAhg-1，储量丰富等优点，是非常具有前景的锂离子电池负极材料。但是，过渡金属氧化物充放电过程中体积变化大，材料粉化严重，限制了其作为锂离子电池负极材料的商业化应用。 本文以高分子水凝胶（聚丙烯酸，PAA）作为反应基体，采用简单且可大量制备的实验方法合成过渡金属氧化物与PAA的复合物。同时，PAA作为高分子化合物，高温碳化后，水凝胶的三维网络转变成为碳三维网络，从而得到具有三维网络结构的过渡金属氧化物/碳复合材料。复合材料中，碳作为非活性基体，可以有效缓解循环过程中过渡金属氧化物体积变化的不利影响，提高电极稳定性，从而提高过渡金属氧化物的循环性能。此外，碳三维网络的多孔特性、良好的导电性等，对于提高电极与电解液之间的浸润以及电极材料的快速充放电能力等有利。具体研究内容如下： （1）采用水浴法制备含有CoCl2的PAA水凝胶前驱体，经过浸泡、冷冻干燥、热处理后，最终制备出Co3O4/C复合材料。研究了碱性浸泡环境、钴盐前驱体浓度对产物的影响，并对其形成机制进行探究。其中，碱性浸泡环境为氨水，钴盐前驱体添加量为0.013 mol的实验条件下，制备出Co3O4为片状形貌，厚度为6 nm，以与碳网络壁平行的方式均匀嵌插在碳三维网络内部。这种独特结构的Co3O4/C复合材料表现出优异的嵌脱锂性能：在100 mAg-1电流密度下，经过300次循环后，容量保持在848 mAhg-1；在1000 mAg-1电流密度下，经过1000多次循环后，容量稳定在600 mAhg-1；电流密度为2000 mAg-1，600多次循环后，容量维持在600 mAhg-1。 （2）采用水浴法制备含有NiCl2的水凝胶前驱体，经过浸泡、冷冻干燥、热处理后，制备出NiO/C复合材料。其中，NiO颗粒为八面体粒子，均匀地嵌插在碳三维网络结构壁上。通过形貌表征和电化学性能分析，探究了碱性浸泡环境、镍盐前驱体添加量、热处理温度对合成复合材料的影响，确定了最优合成条件。与纯NiO相比，NiO/C复合材料具有高的比容量与优异的循环性能，尤其在大电流密度下充放电时，复合材料仍表现出优异的循环稳定性。当电流密度为1000 mAg-1时，经过1000多次充放电循环，仍具有671 mAhg-1的放电比容量；电流密度为2000 mAg-1时，经过900多次循环后，仍能保持586 mAhg-1以上的放电比容量。

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过渡金属氧化物 锂离子电池 水凝胶

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由亲水性大分子链交联形成的高分子水凝胶，因具有三维（3D）网状结构能够吸收大量的液体而溶胀，是典型的柔性软、湿材料。由于水凝胶独特的物理化学性质（如高的含水量、粘弹性、多孔结构以及软湿性等）以及性质上类似于细胞外基质（ECM），使其在生物医学领域（如药物载体、隐形眼镜、生物支架、伤口敷料等）方面具有广泛的应用前景。目前所报道的水凝胶敷料主要集中在生物相容性较好的一些天然大分子材料中，这也将是未来水凝胶敷料应该具备的基本性质。可生物降解的天然高分子水凝胶敷料会随着伤口的愈合自动降解为对生物体无害甚至可以促进伤口愈合的小分子，可有效避免敷料更换对伤口造成的二次伤害，更加方便、经济又实用。聚氨基酸高分子结构中具有类似于蛋白质的酰胺键，是一种具有良好生物相容性且可降解的高分子材料。因此，聚氨基酸水凝胶也能够通过体内酶解或水解反应被降解为小分子的氨基酸，而排出体外或被人体吸收，兼具天然水凝胶和合成水凝胶的各种优势，其作为新型生物可降解医用材料具有广阔的应用前景。 本研究中，我们基于聚天冬氨酸(PASP)及其衍生物聚琥珀酰亚胺(PAHy)设计合成了一种新型的原位成形可注射和可生物降解的PASP-l-PAHy水凝胶医用敷料。首先我们利用L-天冬氨酸和晶体磷酸的固相缩聚反应得到高分子量的中间体聚琥珀酰亚胺(PSI)，并利用粘度法测得其分子量。然后再以PSI为中间体通过简单的碱性水解反应及与水合肼的酰胺化反应分别得到PASP及其衍生物PAHy。通过核磁氢谱分别对聚合物PSI、PASP及PAHy的结构进行了表征。在催化剂EDC和NHS的存在下，PASP和PAHy通过酰胺化反应快速形成PASP-l-PAHy水凝胶。然后系统地表征了不同交联度水凝胶的力学性能、透明度、溶胀性能、可注射性能、细胞相容性及促进大鼠伤口愈合的能力。实验结果表明该水凝胶作为一种生物相容性良好且可原位注射的水凝胶敷料，在医用敷料领域具有潜在的应用前景。

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聚氨基酸水凝胶 医用水凝胶敷料 原位可注射

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高分子水凝胶 纳米材料 能源环境 生物医学 水声探测

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高分子水凝胶作为一种具有三维网状结构含有大量水的软材料，因其具有和细胞外基质的相似性，在生物医学领域具有广泛的应用。然而，传统的可注射水凝胶在使用过程中由于受到外界作用力往往易于损坏从而不能在注入位置保持完整的凝胶态，同时植入后也难以追踪水凝胶在体内的状态。因此，具有自愈合可注射和发光性能于一体的多功能高分子水凝胶材料，不仅可以延长材料的使用寿命还能监测水凝胶注入体内后的位置和状态。基于以上研究目的，本文利用生物相容性小分子修饰的多糖制备得到一种集光致发光性能和自愈合可注射功能于一体的多功能水凝胶，且该水凝胶具有良好的生物相容性，在生物医学领域具有巨大的潜在应用。 本研究中，我们设计制备了一种具有光致发光特性的自愈合可注射水凝胶（TPCA/CEC-l-OSA）。该水凝胶基于小分子5-氧-3,5-二氢-2H-噻唑[3,2-a]吡啶-7-羧酸钠（TPCANa）修饰的聚合物N-羧乙基壳聚糖得到发光聚合物TPCA/CEC和氧化的海藻酸钠（OSA）通过可逆亚胺键交联形成，而聚合物TPCA/CEC则是由一种生物相容性良好的TPCANa发光物质通过碳二亚胺偶联反应修饰N-羧乙基壳聚糖得到的。该水凝胶网络结构中席夫碱反应形成的动态可逆亚胺键赋予该水凝胶自愈合能力，同时荧光物质TPCANa赋予该水凝胶优异的发光性能。体外注射和体内注射实验表明，该水凝胶拥有优异的可注射性能，并且当凝胶从针管挤出注射到特定的模具中之后，该凝胶在生理条件下可以自主性愈合成完整的形状。 此外，该水凝胶可用于封装NIH3T3细胞，并可使其在水凝胶基体内保持较高的活率，说明该水凝胶具有良好的细胞相容性。注入的水凝胶能在体内逐渐降解，同时，苏木精-曙红染色实验表明该水凝胶在体内不会引起明显的临床炎症反应，说明其拥有良好的生物相容性。因此，该工作也克服了目前报道的发光自愈合水凝胶由于生物相容性差的问题很难在生物医学领域应用的瓶颈。所以，该发光自愈合可注射多功能水凝胶作为智能软材料在生物医学领域，如细胞治疗和药物释放的载体方面具有极大的应用潜力。

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多功能 光致发光 可注射水凝胶 细胞封装 自愈合

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高分子水凝胶是一类由亲水性三维网络及大量的水组成的软材料，因其介于固体与液体之间的独特性能而受到学界广泛的关注。然而传统的高分子水凝胶力学性能差，应用往往局限于对力学性能要求较低的领域。因此，研发具有高力学性能的高分子水凝胶，能大大拓展其应用范畴。不同的实际应用对水凝胶的力学性能及其他功能性要求不同。如作为生物支架材料，要求水凝胶具有良好的生物相容性、硬度、强度、抗疲劳性能等。因此，针对实际应用，通过对水凝胶网络的结构设计，获取特定的性能至关重要。本文基于在水凝胶网络体系中引入有效的应力耗散机制，采用不同的交联方式设计合成高强度水凝胶，并研究其相应的性能及潜在应用。 首先，采用化学交联的方式合成双网络水凝胶，第一层网络为聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠（PNaAMPS），第二层网络为聚丙烯酰胺（PAAm）或聚N,N′-二甲基丙烯酰胺（PDMAAm），合成双网络PNaAMPS/PAAm及PNaAMPS/PDMAAm水凝胶。这两种水凝胶的压缩断裂强度高达10 MPa以上。通过体外血小板相容性研究，发现这两种水凝胶具有优异的抗血小板粘附性能，其表面粘附的血小板密度仅为16±7及9±8个/104 μm2。进一步对其表面抗血小板粘附的机理挖掘，发现这两种水凝胶表面的抗血小板性能主要取决于中性的PAAm或PDMAAm网络。由于PAAm及PDMAAm既不粘附血小板，也不吸附能促进血小板粘附的血清蛋白，因此赋予双网络水凝胶良好的抗血小板性能。集高强度与抗血小板粘附于一体的双网络水凝胶，在人工血管、血管支架表面涂层等血液类直接接触材料领域具有极大的潜在应用价值。 其次，采用物理作用交联羧甲基纤维素。采用一种简单的两步法，即第一步成型及第二步凝胶化，实现了高强度且自愈合的羧甲基纤维素水凝胶的大规模制备。在凝胶化之前首先对前驱体进行塑形，因此该水凝胶还具有形状可控制备的特点，可以制备成片状以及星形、三角形、甜甜圈形等不同的形状。优化水凝胶的制备方案，得出：在饱和柠檬酸溶液中浸泡3 h得到的水凝胶具有最强的力学性能，其压缩断裂强度高达~2.5 MPa。由于分子链之间形成的氢键作用是一种可逆的相互作用，并且水凝胶网络中存在大量的未交联高分子链，因此水凝胶具有自愈合性能。实验表明在饱和柠檬酸溶液中浸泡3 h的羧甲基纤维素水凝胶，自愈合效率可达最高的81.6±2.9%。该水凝胶材料形状可控，具有良好的力学性能和自愈合性能。在酸性物质的密封剂及胃粘膜修复等领域具有巨大的潜在应用价值。 最后，采用化学键与物理作用复合交联的方式合成互穿网络水凝胶，其中第一层网络由化学交联的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）组成，第二层网络为离子键交联的海藻酸铝（Al-alginate）。通过调节两层网络的交联密度，优化水凝胶的力学性能，制备得到的Al-alginate/PNIPAM互穿网络水凝胶拉伸断裂强度最高可达~322 kPa。与此同时，改变水凝胶网络中AlCl3的浓度，不仅可以调节水凝胶的力学性能，还能改变水凝胶的相转变温度（LCST）。随AlCl3浓度由0.1 mol/L增大至0.7 mol/L，水凝胶LCST由32°C线性降低至22.5°C。首次实现了PNIPAM基水凝胶在室温条件下的相转变。根据上述性能，初步研究了该水凝胶在柔性驱动器及柔性机械手方向的潜在应用。设计了一种具有双层结构的水凝胶驱动器，该驱动器在环境温度高于LCST时，可完成最大角度~140°的弯曲，并且驱动过程可重复。以该水凝胶柔性驱动器为基础，设计带有“四臂”的柔性水凝胶机械手，可在水下迅速抓取表面光滑的物体。

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高强度 驱动器 水凝胶 血小板相容性 自愈合

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高分子水凝胶是一种可在生物医学领域应用的具有高含水率且生物相容性好的理想生物材料。当将其用于组织工程或药物缓释等生物材料植入体内时，大多数水凝胶在发生破损后难以被检测和修复，将会造成严重的安全隐患。因此，研发具有自愈合功能的高分子水凝胶材料将有利于延长材料的使用寿命并提高其使用安全性。基于以上研究目的，本文利用廉价易得、生物相容性良好的天然多糖大分子作为水凝胶骨架，基于动态共价化学的原理设计制备了几种可在生理条件下发挥自愈合功能的多糖类自愈合水凝胶材料。 首先，通过可逆Diels-Alder（DA）反应，以葡聚糖（Dex）和聚乙二醇（PEG）为原料，在生理条件下合成了葡聚糖基（Dex-l-PEG）自愈合水凝胶。通过调节其总浓度和反应活性基团摩尔比等参数，可将该水凝胶的剪切模量控制在60~12000 Pa之间，达到一般生物体软组织的模量需求。另外，首次采用电化学显微镜（SECM）来实时监控Dex-l-PEG水凝胶的自愈合过程，其自愈合效率可高达98.7%。对于力学性能较弱且无法进行拉伸或压缩的软材料，SECM为其自愈合效率的表征提供了一种全新的解决思路。然而，由于DA反应所需的小分子双烯体合成复杂且不溶于水，尤其是该反应在水体系中的可逆性较差。因此在随后的实验中，本文采用可逆的碳氮双键为动态交联点替换了DA反应，利用N-羧乙基壳聚糖（CEC）和氧化海藻酸钠（OSA）为高分子骨架，并与己二酸二酰肼（ADH）进行交联，得到了同时存在动态亚胺键和酰腙键的多糖自愈合水凝胶网络（CEC-l-OSA-l-ADH）。这种在同一体系中引入不同种类动态化学键的设计思路为增加材料的智能性提供了一种新途径。该水凝胶具有极好的自愈合能力，通过自愈合前后的横梁压缩测试测得其在生理条件下的自愈合效率高达95%。CEC-l-OSA-l-ADH水凝胶还具有可注射-自愈合性能，即先成胶后注射，可利用该性能将包埋有不同药物的水凝胶同时注射在同一靶标部位，达到药物共释的效果。此外，利用CEC-l-OSA-l-ADH水凝胶对小鼠成纤维细胞（NIH 3T3）进行体外三维包埋时，该水凝胶可发生自降解行为并能释放出具有正常增殖能力的NIH 3T3细胞。 基于以上研究，本文还对自愈合水凝胶作为细胞释放载体用于神经干细胞移植治疗方面的应用进行了研究。具体是利用CEC与OSA在生理条件下生成动态亚胺键，制备了CEC-l-OSA可注射-自愈合水凝胶。该水凝胶的力学模量不仅可被控制在天然脑组织与神经组织的力学模量（100~1000 Pa）范围之内，并且与传统溶胶-凝胶转变的注射方式相比，CEC-l-OSA水凝胶在注射-自愈合过程后，其力学模量可迅速建立并回复，增加了注射移植手术后的安全性。此外，在CEC-l-OSA水凝胶中包埋的神经干细胞（NSCs）不仅能够正常的生长和扩增，并且在注射过程后依然可保持有70%以上的细胞存活率。此外，由于CEC-l-OSA水凝胶中CEC上的氨基作用，包埋于该水凝胶网络中的NSCs更倾向于分化为神经元细胞。结果表明，CEC-l-OSA水凝胶在作为NSCs移植载体中具有极大的应用前景。在今后的工作中，还将进一步考察利用该水凝胶进行动物实验，研究和证实其在体内脑损伤处的填充和促进神经再生的能力。

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动态共价键 多糖 可注射 水凝胶 自愈合

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由亲水性大分子聚合物链交联形成的具有三维（3D）网络状结构的高分子水凝胶，可以被制作成任何形状、尺寸。水凝胶以其独特的软、湿性能，作为理想的医用材料在生物医学领域具有重要的应用前景。近几年来在医学上，几十种水凝胶产品已经对患者起到了很好的治疗效果，例如，用聚（羟乙基异丁烯酸）制备的隐形眼镜、已经使用了二十多年的由海藻酸制备的伤口辅料、已被临床使用的由透明质酸制备的填充物等。然而，当水凝胶作为生物医学材料被植入体内时，容易受到外界压力或体液侵蚀而产生破损；同时，水凝胶在体内难以实现原位跟踪监测，这些都会对患者造成安全隐患。因此，研发同时具有自愈合性能和发光性能的水凝胶是十分重要的。 本研究中，我们以一种天然大分子-羧甲基纤维素（CMC）为原料，利用一种快速、环保、经济的方法制备出集自愈合性能、发光性能、拉伸性能为一身的羧甲基纤维素基自愈合发光水凝胶。通过铝离子（Al3+）与羧甲基纤维素（CMC）和柠檬酸发光衍生物（PCAD）上羧基（-COO-）间的动态可逆离子配位作用来实现该水凝胶的自愈合性能和发光性能。在紫外灯下，羧甲基纤维素基自愈合发光水凝胶显示出蓝绿色荧光。而且该水凝胶在室温下，不需任何外界刺激即可实现自愈合，自愈合效率高达90%；胶愈合后的水凝胶还可以被拉伸至原始长度的近2.5倍。此外，这种可拉伸的羧甲基纤维素基自愈合发光水凝胶具有很好的粘附性能，能够粘附于玻璃、塑料和软组织上。我们对该凝胶的应用也做了进一步的探索，证明它可以作为防止溶液泄露的密封剂和治疗胃穿孔的组织粘合剂使用。因此，这种同时具备多种优良性能、易于合成、可大量生产的多功能、智能的羧甲基纤维素基自愈合发光水凝胶将在生物医学领域和工程领域具有巨大的应用潜力。

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光致发光 水凝胶 羧甲基纤维素 自愈合

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