《高強度納米複合水凝膠的仿生自組裝製備及性能研究》是依託北京理工大學，由李歡軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高強度納米複合水凝膠的仿生自組裝製備及性能研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：李歡軍
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目提出通過原位聚合合成聚合物-石墨烯二維納米複合構築單元溶膠，結合仿生自組裝過程製備具有層狀有序結構的石墨烯基高強度納米複合水凝膠的新方法。擬主要研究獲得高度水溶性石墨烯的合成技術和功能化修飾方法，探索石墨烯和功能單體原位聚合製備納米複合構築單元溶膠的形成機理和反應條件。研究仿生自組裝過程對納米複合水凝膠薄膜微觀結構有序性和表面結構的影響規律。進而，揭示水凝膠中石墨烯和聚合物間的相互作用、水凝膠形成機理、微觀網路結構和功能特性及其相互關係。從而加深對納米複合水凝膠性能和製備方法之間關係的規律性認識，獲得力學性能、導電性能、溶脹性能和環境回響性可控的層狀有序結構的石墨烯基納米複合水凝膠。本研究有助於石墨烯基納米複合材料和高強度納米複合水凝膠的發展，為高強度納米複合水凝膠的合成提供新的製備技術，特別是為利用仿生自組裝技術獲得結構規整有序和性能優異的水凝膠研究方面奠定基礎。
結題摘要
高強度水凝膠的研究對於其在生物醫用材料領域的套用具有重要意義，而石墨烯具有優異的力學性能和二維層狀結構，是利用仿生自組裝方法製備高強度水凝膠的理想構築單元。本項目的主要研究內容是利用原位聚合的方法製備聚合物-石墨烯二維納米複合構築單元溶膠，然後結合仿生自組裝過程製備具有層狀有序結構的石墨烯基高強度納米複合水凝膠。 本項目的主要研究結果是，利用改進的Hummers法製備得到水溶性的氧化石墨烯(GO)，其在水中穩定分散的濃度可以達到5-8mg/ml，其厚度約1.1nm，是一種完全氧化剝離的單層石墨烯；將GO與單體丙烯醯胺（AM）、羥甲基丙烯醯胺（HAM）等一起原位聚合形成複合構築單元，或與生物大分子殼聚糖（CS）和明膠（Gelatin）直接混合形成複合構築單元，然後再通過真空抽濾和水蒸發誘導自組裝的方法製備了一系列的層狀有序結構的高強度納米複合水凝膠。 研究結果表明，自組裝製備的GO-PHAM水凝膠最大拉伸強度為2.3MPa，而原位自由基聚合直接得到的GO-PHAM水凝膠的最大拉伸強度僅55KPa，對比可知水凝膠薄膜的強度提高了約44倍。利用水蒸發誘導自組裝製備的GO-CS複合水凝膠，具有層狀有序的規整結構，其最大拉伸強度和模量分別為5.35MPa和5.11MPa，與相應的純CS水凝膠相比，分別提高了188%和104%，與軟骨組織的力學強度相當，這表明我們製備的高強度GO-CS納米複合水凝膠在人工肌肉、關節軟骨、組織工程等生物醫用材料領域有潛在套用前景。同時，GO-CS複合水凝膠還具有優異的pH誘導形狀記憶效應。 另外，通過冷凍乾燥處理GO-CS複合溶膠，可以得到層狀有序結構的GO-CS複合海綿，這是首次報導的僅通過簡單的冷凍處理（無需定向冷凍）就可以得到層狀有序結構的複合海綿材料。該海綿對Co2+和Ni2+具有很強的吸附性，吸附量最大可達224 mg/g和423 mg/g。Ni2+的吸附量高於Co2+，這是因為CS上的胺基和GO片層上的羧基與Ni2+之間的絡合作用高於Co2+。可以用pH2.0的稀鹽酸脫附吸附在海綿上的金屬離子。經過5次吸附-脫附循環後，GO-CS複合海綿對Cu2+、Co2+和Ni2+的吸附能力分別是初始吸附能力的67.53%、81.82%和80.20%，這表明CS-GO水凝膠海綿可以多次重複使用清除重金屬離子和染料。
