【生物基水凝胶制备技术发展文献综述3500字】

生物基水凝胶制备技术发展文献综述随着世界各国经济社会的发展以及当今生活水平的提高，高分子材料在电子、化工、汽车等领域的使用也在日益增加，水凝胶是一种由天然或合成材料形成的生物基材料，由于聚合物上的亲水基团及其交联结构，生物基水凝胶可以溶胀和保有大量的水。化学交联和物理交联(例如氢键、疏水相互作用、离子络合)都有助于水凝胶的形成[1,3]。水凝胶由于其优异的生物相容性、粘弹性和独特的力学性能，在各个领域得到了广泛的研究，包括细胞或组织培养[4]、组织工程[5,6]、和伤口敷料[7,10]。此外，水凝胶将液体和固体的优点结合在一起，使得它们除了具有上述生物应用之外，还具有其他良好的应用前景。水凝胶在传感器、致动器ADDINNE.Ref.{7AA35877-FF77-404D-9A05-52925F938BB3}和光学器件[11,13]等方面显示出巨大的潜力。其中，基于水凝胶的应变和压力传感器的化学性质，网络结构和机械性能可以很容易地调整，与生物基材相匹配，以及水凝胶的弹性模量与真实的人类皮肤非常相似[14,15]。因此，基于水凝胶的应变和压力传感器与生物组织更兼容，为智能电子皮肤和植入式装置的设计奠定了基础。根据导电机理，导电水凝胶可分为两类：电子导电水凝胶和离子导电水凝胶。在亲水性水凝胶网络中，这些电化学活性材料建立了传导路径来传递电子或离子以产生导电水凝胶。水凝胶中的水有两种状态：束缚水（水分子固定在聚合物链上）和自由水（水分子占据聚合物链之间的空间）[16]。对于电子导电水凝胶，其导电性主要来源于通过隧道效应和接触效应移动的电子。因此，截留的水分子不会显著影响电导率。然而，大量的水分子损失可以提高导电性，因为更多的导电填料通过水凝胶的收缩相互接触。离子导电水凝胶的电导率取决于离子在自由水中的运动。因此，随着水分的流失，离子导电水凝胶的电导率不可避免地受到影响。到目前为止，研究人员已经构建了多种方法（例如：纳米复合[17,18]、导电聚合物[19,21]、添加盐[22,24]和聚电解质[22,26]）来赋予水凝胶导电性。聚合物导电水凝胶是指在水凝胶中引入导电聚合物（例如：聚苯胺（PANI），聚吡咯（PPy）和（聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）而获得的导电水凝胶。Wang等[27]以聚苯胺（PANI）为导电互穿网络与聚丙烯酰胺-丙烯酸羟乙酯（P-(AAm-co-HEMA)）网络组成的新型坚韧导电水凝胶。导电聚苯胺网络与柔性P(AAm-co-HEMA)之间的内在相互作用赋予水凝胶优异的强度和韧性。导电水凝胶表现出很高的灵敏度（GF为11）和较好的线性应变依赖性，但是该方法制备的聚苯胺（PANI）导电水凝胶的拉伸率不高，难以广泛应用。Zhang等[28]以导电聚合物PEDOT:PSS和两性离子poly(HEAA-co-SBAA)聚合物制备了具有互穿聚合物网络结构(IPN)的全聚合导电水凝胶。氢键、静电相互作用和IPN结构的存在赋予了水凝胶4000–2000%的超高拉伸性，拉伸强度为~0.2MPa，2分钟内快速恢复能力（70–80%），3分钟内快速自愈和表面附着力强（~1700J·m-2）等性能。Ren等[29]以聚吡咯（PPy）为导电网络和具有生物相容性的海藻酸钠/明胶网络，采用低温法制备了一种自修复导电水凝胶。海藻酸钠/明胶网络由大量可逆的席夫碱基团组成，席夫碱基团的动态交联网络赋予水凝胶良好的自修复性能。聚吡咯作为一种导电聚合物，带来了水凝胶的导电性和良好的力学性能。该文提出了一种简单易行的方法来制备一种新型的自修复导电水凝胶，并在电路修复材料、生物相容性、医疗器械和柔性传感器等方面具有潜在的应用前景。纳米复合导电水凝胶是指将纳米尺寸的导电粒子，分散在水凝胶中得到的导电水凝胶，具有高机械强度、高灵敏度和热稳定性等特点。目前，盐诱导和聚电解质诱导的导电水凝胶通常具有相对较低的灵敏度，聚合物导电水凝胶制备工艺较为复杂；相反，纳米复合导电水凝胶由于接触电阻效应和隧穿效应具有更高的灵敏度，并且由于纳米增强效应，它们有着更好的力学性能。此外，一些导电填料（例如碳纳米管、石墨烯和金纳米粒子）具有独特的热电效应、抗菌性能、抗紫外性能和光热效应等性质，这些性质赋予水凝胶多重功能特性。因此，研究纳米复合导电水凝胶具有十分重要的意义。目前，大量导电纳米复合水凝胶将纳米填料和水凝胶的优点结合在一起，制备了具有优异性能和独特功能的应变传感和压力传感材料。碳纳米管基的纳米复合水凝胶，通常是将碳纳米管与水凝胶前驱体混合，然后进行原位聚合/交联制备纳米复合水凝胶。在水凝胶网络中的碳纳米管将提供高效的电子传输通道，使水凝胶具有较高的电导率和应变/压力敏感性。迄今为止，碳纳米管基的纳米复合水凝胶由于其柔软导电的特性，在生物医学工程、可穿戴设备、人工智能和储能材料等领域具有巨大的应用潜力。但是，碳纳米管高度疏水且不溶于水，因此制备的碳纳米管在聚合物中容易团聚，并且难以直接在亲水性聚合物网络中分散。此外，碳纳米管与聚合物网络之间的弱界面相互作用，也限制了碳纳米管在水凝胶中的有效负载转移。Sun等[30]以氧化型多壁碳纳米管（oxCNTs）和聚丙烯酰胺（PAAm）为原料，制备了碳纳米管基导电纳米复合水凝胶。在PAAm-oxCNTs水凝胶中，oxCNTs通过氢键在明胶存在下均匀分散。oxCNTs、明胶和PAAm链之间的物理相互作用以及PAAm共价交联网络使得水凝胶具有良好的拉伸性能（传感范围>700%）、高拉伸强度（0.71MPa）、良好的恢复率（90%）和优异的传感性能。由于oxCNTs形成的导电路径，PAAm-oxCNTs水凝胶表现出优异的应变敏感性（应变为250-700%时的灵敏度为3.39）、快速响应（300ms）和极好的耐久性（超过300次循环）。所制备的应变传感器可以通过稳定且可重复的电信号检测人体的大型和细微的运动（例如：肘部旋转、手腕弯曲、膝盖弯曲、吞咽和发声），表明其在人机交互和个人健康监测中的潜在应用。Han等[31]以贻贝化学为基础，开发了一种在水和甘油组成的二元溶剂体系中形成的具有持久锁水能力和极端耐温性的粘性导电水凝胶。聚多巴胺（PDA）修饰的碳纳米管（CNTs）作为导电材料和纳米增强体赋予水凝胶高电导率（8.2Sm−1）、高拉伸率（700%）、韧性（2300Jm−2）和良好的自恢复性能。而PDA上的邻苯二酚基团和粘稠的甘油赋予水凝胶组织粘附性（60kPa）。并且，该水凝胶具有耐温性，可在极宽的温度范围内（−20~60℃）保持所有性能，并且能长期储存。这种受贻贝启发的导电水凝胶是一种很有潜力的材料，可用于自粘生物电子学，以监测寒冷或炎热环境中的生物信号，也可作为一种敷料，保护皮肤免受冻伤或烧伤的伤害。综上所述，目前关于生物基水凝胶方面的研究已经取得了较大进展，尤其是生物质导电水凝胶的研究，是适应国民医药发展需求，提高可再生资源利用率的重要途径。因此，结合上述研究，开发一种高效，环保、无菌的生物质无菌材料，是适应我国可持续发展道路的重要策略。三、参考文献:[1]曹美文,王栋.纳米复合抗菌水凝胶的制备与性能[J].实验技术与管理,2021,38(12):4.[2]张浩然,王士凡,朱文友,等.抗菌水凝胶在生物医学领域的研究进展[J].化学试剂,2021,43(5):10.[3]肖晓琳.生物医用抗菌水凝胶敷料与管状水凝胶的制备及性能[D].华南理工大学,2019.[4]孙蒙崖,刘娜,傅英娟.木质素在材料中的应用研究进展[J].现代化工,2019(2):5.[5]周倩、苏雅娟、李鹏.仿生表面粘附引发剂引发抗菌和防污水凝胶涂层[C]//2020(第4届)抗菌科学与技术论坛.2020.[6]宫宇宁.高强度抗菌敷料水凝胶的制备及性能[D].长春工业大学,2020.[7]董建成,葛孝栋,王清清,等.阳离子光敏抗菌型水凝胶的制备及性能表征[J].材料工程,2019,47(2):6.[8]王黎安.水凝胶型生物粘合剂的制备和性能研究[D].中国科学技术大学,2020.[9]舒萌萌.生物医用高强度抗菌性水凝胶的设计与制备[D].湖北工业大学,2020.[10]胡婧婧,全艳春,戴天骄,等.按需可调节释放的氨基糖苷抗菌水凝胶[C]//2017.[11]周雯婷,郭吟竹,李兴茂,等.键合型抗菌水凝胶敷料的制备及性能研究[J].化工新型材料,2016.[12]郑月圆,梁育晴,李娟,等.基于天然高分子的自修复抗菌水凝胶研究[C]//2017.[13]宋雅娜.辐射交联生物基复合水凝胶促进伤口清创愈合的研究[D].北京化工大学,2015.[14]王利.让大健康走进生活,生物基抗菌纤维大有可为[J].纺织服装周刊,2021(26):1.[15]宋雅娜.辐射交联生物基复合水凝胶促进伤口清创愈合的研究[D].北京化工大学,2015.[16]耿立宏.生物基纳米纤维素水凝胶结构、流动行为及应用研究[D].华南理工大学.[17]曾金凤,杨雯迪,施冬健,等.可注射的壳聚糖/纳米金温敏性水凝胶的构筑及其光热性能研究[J].高分子学报,2018(10):10.[18]石志军;王蠡;李思祥;胡三明;杨光;.低温尿素/碱体系制备功能化细菌纤维素水凝胶及其生物医学应用[C]//中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题P:生物基高分子.2017.[19]HUANGHe,LIYayu,GUOZiyan,等.双重响应性生物基自修复凝胶的制备及其性能[J].应用化学,2019,36(2):9.[20]王红菊,赵吉祥,刘娜,等.生物基磁性整体式碳球的制备及其对Cr(Ⅵ)吸附性能的研究[J].化工新型材料,2017,45(11):4.[21]GuoL.基于形貌设计及生物基修饰制备电磁波吸收材料.2019.[22]宋涛,奚悦静,杜建忠.基于聚谷氨酸囊泡的抗菌水凝胶[J].高分子学报,2018,000(001):119-128.[23]黄秋丽,余辉龙,杜春贵,等.纳米抗菌水凝胶的研究进展及其在竹质材料防霉中的应用前景[J].2022(6).[24]曹美文,王栋.纳米复合抗菌水凝胶的制备与性能[J].实验技术与管理,2021,38(12):4.[25]任丽霞,牛艳丽,郭田田,等.纳米银杂化超分子水凝胶的抗菌性能研究[C]//2018(第3届)抗菌科学与技术论坛论文摘要集.2018.[26]WangLY,DaoudWA.Hybridconductivehydrogelsforwashablehumanmotionenergyharvesterandself-poweredtemperature-stressdualsensor[J].Nanoenergy,2019,66:104080.[27]WangZW,ChenJ,CongY,etal.UltrastretchableStrainSensorsandArrayswithHighSensitivityandLinearityBasedonSuperToughConductiveHydrogels[J].Chemistryofmaterials,2018,30(21):8062-8069.[28]ZhangD,TangYJ,ZhangYX,etal.HighlyStretchable,Self-Adhesive,Biocompatible,ConductiveHydrogelsasFullyPolymericStrainSensors[J].Journalofmaterialschemistry.A,2020,20474.[29]RenK,ChengY,HuangC,etal.Self-healingconductivehydrogelsbasedonalginate,gelatinandpolypyrroleserveasarepairablecircuitanda