基于天然高分子的电场敏感水凝胶

论文摘要

电场敏感水凝胶是一类在电刺激下可以溶胀、收缩或弯曲的智能性水凝胶,其主要特点是可以将电能转化为机械能,因此在机器人、传感器、可控药物释放、人工肌肉等领域都有广泛的应用前景。但是,目前制备电场敏感水凝胶的材料大多数包含合成高分子,由于合成高分子的生物相容性差和可能存在的毒性,限制了电场敏感水凝胶在生物医药领域的应用。此外,已见报道的电场敏感水凝胶大多数是聚阴离子或聚阳离子,只带有一种电荷,因此只能在某一特定的pH值范围内才表现出电场响应性,这也限制了电场敏感水凝胶可适用的pH值范围。为了克服以上所述的局限性,扩大电场敏感水凝胶的应用范围,本论文采用天然高分子材料制备了四种不同的天然两性荷电水凝胶,分别是壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶、壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶、大豆分离蛋白水凝胶和丝素蛋白水凝胶。一方面,天然高分子的无毒性和良好的生物相容性为这些电场敏感水凝胶在生物医药领域的应用提供了可能性;另一方面,两性荷电水凝胶综合了聚阳离子和聚阴离子的特点,在较宽的pH值范围内都具有电场响应性,并且弯曲方向随电解质溶液pH值的变化而变化。对于壳聚糖/羧甲基纤维素和壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶,在pH＜7的缓冲溶液中,壳聚糖上的氨基（-NH2）质子化为-NH3+,水凝胶具有聚阳离子的性质,因此它在电场的作用下弯向阳极;在pH＞7的缓冲溶液中,羧甲基纤维素或羧甲基壳聚糖上的羧基（-COOH）离子化为-COO-,水凝胶变为聚阴离子,在电场的作用下弯向阴极。除溶液的pH值外,溶液的离子强度、施加电压的大小、水凝胶膜的厚度以及交联剂的用量都会影响水凝胶的电场响应性。通过调节以上参数,我们发现在pH=6,离子强度为0.2 M的缓冲溶液中,15 V的电压下,水凝胶的平衡弯曲角度可达90°。此外,我们还发现施加的电压越大,水凝胶膜的厚度越薄,其平衡弯曲角度越大;适量的交联剂可以增加水凝胶膜的力学性能,并且对其弯曲行为也有一定的影响。对于大豆分离蛋白和丝素蛋白水凝胶,由于二者本身是聚两性电解质,在pH值低于它们等电点的溶液中,水凝胶带有正电荷,在电场的作用下弯向阳极;在pH值高于它们等电点的溶液中,水凝胶带有负电荷,在电场的作用下弯向阴极。由于大豆分离蛋白中含有较多的酸性和碱性氨基酸残基,因此它比丝素蛋白水凝胶具有更好的电场响应性。总之,本论文中制备的四种天然两性荷电水凝胶都能在电场中弯曲,并且在一定的实验条件下,它们的弯曲角度、弯曲速度以及力学性能有所不同,这种多样性扩大了电场敏感水凝胶的应用范围,在实际应用中可以根据具体要求来选择最适合的水凝胶体系。通过改变电解质溶液的pH值、离子强度、施加电压的大小、水凝胶膜的厚度及交联剂的用量,我们可以对水凝胶的电场响应行为进行控制。此外,我们还设计了简单的实验以展示电场敏感水凝胶作为能量转换装置,如人工肌肉和化学阀门等方面的应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水凝胶
• 1.1.1 环境敏感水凝胶
• 1.1.2 电场敏感水凝胶
• 1.1.2.1 电场敏感水凝胶的制备方法
• 1.1.2.2 电场敏感水凝胶的响应机理
• 1.1.2.3 电场敏感水凝胶的应用
• 1.2 天然高分子基水凝胶
• 1.2.1 壳聚糖、羧甲基壳聚糖及羧甲基纤维素简介
• 1.2.2 大豆分离蛋白及丝素蛋白简介
• 1.2.3 基于天然高分子的电场敏感水凝胶的研究现状
• 1.3 本论文出发点和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶电场响应性的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 材料与试剂
• 2.2.2 壳聚糖的精制及脱乙酰度的测定
• 2.2.3 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶的制备
• 2.2.4 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶的表征
• 2.2.4.1 傅立叶变换红外光谱分析（FTIR）
• 2.2.4.2 广角X-射线衍射分析（WXRD）
• 2.2.4.3 扫描电子显微镜形貌分析（SEM）
• 2.2.5 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶溶胀率的测定
• 2.2.6 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶力学性能的测定
• 2.2.7 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶在电场中弯曲角度的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶的结构与形貌
• 2.3.2 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶的电场响应行为
• 2.3.3 影响壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶的电场响应行为的因素
• 2.3.3.1 pH的影响
• 2.3.3.2 离子强度的影响
• 2.3.3.3 电压大小的影响
• 2.3.3.4 水凝胶膜厚度的影响
• 2.3.3.5 交联剂的影响
• 2.3.4 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶弯曲行为的可重复性
• 2.3.5 壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶应用实例
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶电场响应性的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 羧甲基壳聚糖的制备
• 3.2.3 羧甲基壳聚糖的表征和分析
• 3.2.3.1 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 1H NMR）'>3.2.3.2 核磁共振氢谱（¹H NMR）
• 3.2.3.3 粘度法测定分子量
• 3.2.4 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶的制备
• 3.2.5 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶的表征
• 3.2.5.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 3.2.5.2 扫描电子显微镜形貌分析（SEM）
• 3.2.6 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶溶胀率的测定
• 3.2.7 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶力学性能的测定
• 3.2.8 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶在电场中弯曲角度的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 羧甲基壳聚糖的表征
• 3.3.2 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶的表征
• 3.3.3 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶的电场响应行为
• 3.3.4 影响壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶电场响应行为的其它因素
• 3.3.4.1 溶液离子强度的影响
• 3.3.4.2 水凝胶膜厚度的影响
• 3.3.4.3 交联剂的影响
• 3.3.5 壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶应用实例
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于大豆分离蛋白和丝素蛋白的电场敏感水凝胶
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料与试剂
• 4.2.2 大豆分离蛋白水凝胶膜的制备
• 4.2.3 丝素蛋白水凝胶膜的制备
• 4.2.4 大豆分离蛋白和丝素蛋白水凝胶力学性能的测定
• 4.2.5 大豆分离蛋白和丝素蛋白水凝胶在电场中弯曲角度的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 大豆分离蛋白水凝胶的电场响应性
• 4.3.2 丝素蛋白水凝胶的电场响应性
• 4.3.3 基于不同天然高分子制备的电场敏感水凝胶的性能比较
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 附录
• 致谢