国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  西安交通大學柔性材料與器件課題組在新型多功能柔性凝膠材料的設計及結構性能調控領域取得系列進展。

作為典型的柔性材料，凝膠材料因具有良好的粘彈性，透明性，生物相容性以及與人體軟組織類似的結構和性能而在細胞治療，生物傳感器，組織工程等生物醫學領域以及柔性電子和柔性機器等工程技術領域具有重要科學意義和廣闊的應用前景。由于其特殊的使用要求，需對其力學性能、生物相容性、功能化等進行設計調控，以滿足在不同領域中的需求。

西安交通大學陳詠梅課題組近年來逐步建立了一系列成熟的多功能凝膠材料合成及結構組成調控的技術方法，并且圍繞自愈合性能、磁性能、發光性能、導電性能，高機械性能，開發了一系列多功能凝膠材料，并展示了其在三維細胞包埋、磁性導管、柔性透明可拉伸導線和柔性器件等方面的優異性能，為生物醫學研究的和柔性機器發展提供了新手段和新技術。

1.     可在生理環境中自愈合的多糖水凝膠

作為一種新型智能材料，自愈合凝膠在解決軟材料損傷修復問題，實現柔性材料智能化和高效化具有重要意義。陳詠梅課題組研制了基于天然多糖的可在生理條件下自愈合，并且具有良好細胞相容性的新型自愈合水凝膠材料。這些具有優異性能的水凝膠材料有望作為細胞或藥物載體應用于生物醫學領域。設計了一種含有酰腙鍵和亞胺鍵兩種動態共價化學鍵的多糖基自愈合水凝膠材料。合成了基于動態共價化學的多糖基自愈合水凝膠，該水凝膠中主要含有酰腙鍵和亞胺鍵兩種動態共價化學鍵，是通過己二酰肼（adipic acid dihydrazide， ADH）交聯氧化海藻酸鈉（oxidized sodium alginate， OSA）生成可逆酰腙鍵，同時通過氧化海藻酸鈉交聯水溶性殼聚糖（N-carboxyethyl chitosan ，CEC）得到可逆亞胺鍵來制備，稱為CEC-l-OSA-l-ADH 水凝膠 (“l” 表示 “交聯”)。該水凝膠在生理條件下具有較高的自愈合效率，值得一提的是該水凝膠還有可注射性能， 并且具有三維包埋和釋放活體細胞的功能（Adv. Funct. Mater. 2015, 25(9):1352–1359封底論文）。提出了一種基于可逆迪爾斯-阿爾德（DA）反應的天然多糖自愈合水凝膠的合成制備方法，以修飾有富烯基團的葡聚糖（fulvene-modified dextran，Dex-FE）為雙烯體，二氯馬來酸修飾的聚乙二醇（分子量2000）（PEG- dichloromaleic anhydride，PEG-DiCMA）為親雙烯體制備了自愈合水凝膠材料。研制出了可在生理條件下自愈合，并且具有良好細胞相容性的葡聚糖自愈合水凝膠，Dex-FE與PEG-DiCMA在37°C下，pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中發生可逆DA反應交聯制備得到葡聚糖自愈合Dex-l-PEG水凝膠。并首次采用電化學顯微鏡對水凝膠自愈合過程進行了三維實時監測（Macromol. Rapid Comm. 2013, 34 (18): 1464–1470）。并受邀在化學領域權威綜述刊物Chem. Soc. Rev. （2014, 43 (23): 8114 – 8131）上發表了自愈合凝膠材料的設計合成及其在生物醫學和工程技術領域的綜述，展望了未來發展方向。

2.     高強度水凝膠材料

傳統高分子水凝膠材料因力學性能低而難以實現其實際應用。高強度水凝膠材料的設計對大幅度提高水凝膠力學性能以及推動功能水凝膠材料在生物材料和柔性器件中的應用意義重大。陳詠梅課題組制備了不同離子交聯的復合高強度水凝膠材料，并在此設計思路上制備了具有抗撕裂功能的高強度磁性水凝膠材料。 通過簡便的兩部法制備得到具有高度可拉伸性能的高強度海藻酸鈉（alginate）/聚丙烯酰胺（PAAm）復合水凝膠。第一步自由基聚合丙烯酰胺，得到Na-alginate /PAAm水凝膠，該水凝膠中聚丙烯酰胺通過共價鍵低密度交聯，未交聯的海藻酸鈉貫穿于聚丙烯酰胺網絡中；第二部將Na-alginate/PAAm水凝膠分別在含有不同二價離子（CaCl₂, SrCl₂, BaCl₂）和三價離子（AlCl₃, Fe(NO₃)₃）的鹽水溶液中浸泡，二價或三價陽離子擴散進入Na-alginate/PAAm水凝膠中，并通過與海藻酸鈉的羧酸根（COO-）發生靜電作用，交聯海藻酸鈉高分子鏈，制備得到由不同二價或三價陽離子交聯的alginate/PAAm復合水凝膠（圖 3）。拉伸測試表明Al-alginate/PAAm水凝膠和Fe-alginate/PAAm水凝膠的斷裂應力分別高達939.1±47.6kPa和942.5±22.0kPa, 模量分別為169.0±20.0 kPa和252.2±34.0 kPa，能量耗散分別高達2159.4±155.2kJ×m^?3和2107.1±73.2 kJ×m^?3。此外，該水凝膠薄片可以吹成一個大氣球， 60秒時其面積變化為760％，進一步證實了其優異的力學性能和伸縮性能（圖 3）（ACS Appl. Mater. Interfaces  2013，5(21):10418-10422）。

3.     抗撕裂性能的高強度磁性水凝膠材料

 針對目前大部分磁性水凝膠的機械性能差，不能滿足荷載承力柔性材料需求的現狀，陳詠梅課題組首次設計制備了具有抗撕裂性能的高強度磁性水凝膠材料。在高強度海藻酸鹽/聚丙烯酰胺水凝膠中適量均勻摻雜經海藻酸修飾的磁性Fe₃O₄納米粒子，發現水凝膠不但具有良好的磁響應性能，而且具有良好的力學性能和抗撕裂性能，壓縮強度可高達~5MPa，拉伸強度可高達~1MPa，且拉伸長度可達~10倍，打結、彎曲該磁性水凝膠也能保持其良好的狀態（圖4），斷裂能高達~1600 - 3000 J m^-2。即使帶有預切口的水凝膠材料，拉伸長度也可達8.8倍（圖6）。進一步展示了高強度磁性水凝膠作為懸臂梁彎曲致動器和磁性微創醫療導管材料的初步應用。該研究結果為在賦予水凝膠磁響應性的同時保證水凝膠的高力學性能，拓展磁性水凝膠材料的應用領域奠定了基礎。

4.     水凝膠調控納米晶體結構

 模擬趨磁細菌磁小體囊泡內合成Fe₃O₄納米晶體的微環境，首次實現在水凝膠內通過簡單溫和的共沉淀反應原位制備系列形貌可控Fe₃O₄納米粒子，賦予該復合水凝膠良好的磁性能及過氧化氫催化能力，使其可應用于檢測微量的過氧化氫，為新型多功能磁性醫療導管材料研究奠定基礎；以及作為新型高效污水處理材料實現陽離子型染料的快速處理。相關研究內容授權國家發明專利2項（授權專利號：ZL 201110207305.6，ZL 201210112777.8），論文發表于最有學術影響力的國際期刊Green Chem. 2014, 16:1255-1261 （IF₂₀₁₄= 8.506）；ChemPhysChem, 2016, in Press (DOI: 10.1002/cphc.201600117).

  針對水熱法、高溫分解法等方法雖可制備形貌可控的Fe₃O₄納米粒子，但因使用有毒試劑和有機溶劑易對環境造成很大污染，且需要高溫高壓等苛刻反應條件，不利于產物大規模制備以及在生物醫學環境等領域中的應用等問題，陳詠梅課題組受趨磁細菌能夠利用其磁小體囊泡內帶負電荷的蛋白質作為富集吸附鐵離子的位點并將磁小體囊泡作為微反應器，在其體內原位合成出形貌高度可控的磁性納米粒子的啟發下，以水凝膠作為模擬趨磁細菌中合成Fe₃O₄納米晶體的微環境，首次實現了通過簡單溫和的共沉淀反應在水凝膠體系中原位制備得到負載一系列規則形貌的Fe₃O₄納米粒子的磁性水凝膠，并發現了水凝膠內部微環境調控Fe₃O₄納米粒子晶體生長的機理。該制備過程采用無毒性的試劑以及廉價的Fe²⁺與Fe³⁺作為前驅體，操作簡單，避免了引入表面活性劑等影響生物材料細胞相容性成分。SEM圖像中可以清楚地觀察到水凝膠內原位生成的Fe₃O₄納米粒子可具有規則的八面體，納米棒及納米針等形貌，高分辨TEM圖像可清楚的觀察到單個典型的Fe₃O₄納米粒子的幾何結構，分別為表面暴露{111}晶面的Fe₃O₄納米八面體以及沿著[211]晶向生長的Fe₃O₄納米棒及納米針（圖7）。此外，負載了Fe₃O₄納米粒子的復合水凝膠中仍然具有良好的擬過氧化物酶活性，不僅可用于檢測微量的過氧化氫，而且可作為新型高效污水處理材料實現陽離子型染料的快速處理。

5.     發光水凝膠

 研發了基于銥金屬配合物和鑭系元素的新型發光水凝膠材料，并具有良好的細胞相容性、穩定性和高力學性能。相關研究論文已被最有學術影響力的國際期刊 Macromol. Rapid Commun. （I區，IF₂₀₁₄=4.608）2012, 33, 1191?1196 作為封面論文（ cover paper）發表，另外一篇論文已通過Macromol. Rapid Commun.審稿修改（marc.201400630, minor revision）。授權國家發明專利1項（授權號：ZL20111 0191706.7）。

光致發光凝膠材料已經成為應用于生物成像、藥物輸送、傳感器、光開關和傳感器等許多領域的新型柔性材料。我們將銥金屬配合物和鑭系元素引入水凝膠材料中，制備出具有優良發光性能和細胞相容性的發光水凝膠材料。

（1）提出了一種基于銥金屬配合物的發光高分子水凝膠的制備方法，制備得到具有良好細胞相容性的新型發光水凝膠

我們通過簡便的擴散法制備得到基于陽離子型銥金屬配合物[Ir(ppy)₂(dmbpy)]Cl和帶負電荷的水凝膠新型發光水凝膠。帶負電荷的水凝膠與帶正電荷的 [Ir(ppy)₂(dmbpy)]Cl與之間強的靜電相互作用促進了磷光分子在水凝膠網絡中的擴散，并形成了穩定的復合物，即使在水中浸泡9個月水凝膠也具有良好的發光性能（圖8）。該復合發光水凝膠的制備則具備以下優勢：（1）制備過程相對簡便；（2）水凝膠和發光材料組合具有多樣性；（3）發光材料的分子結構和性能在水凝膠網絡中得到保存，使發光材料的發光性能實現最大化。

（2）設計制備了基于鑭系元素的高強度發光水凝膠材料，具有良好的發光性能，其顏色可以通過采用不同的鑭系元素而調節，并可以根據實際應用需要制備成不同的形狀，可承受較大力學變形。

    傳統的發光水凝膠的因機械性能較低而嚴重限制了其應用范圍。針對該問題，我們設計了高力學性能的發光水凝膠，鑭系元素-海藻酸鈉/聚丙烯酰胺復合水凝膠材料。其中稀土離子作為發光元素和物理交聯劑引入到海藻酸鈉/聚丙烯酰胺復合水凝膠中。該水凝膠具有多功能的優點，良好的光致發光性能，可調諧發光顏色（圖9），良好的加工性能和細胞相容性，兆帕級壓縮強度、約20倍拉伸變形及高能量耗散（~10⁴ kJ m^?3）。該光致發光的水凝膠有擴大使用范圍廣闊的水凝膠。

6. 首次發現水凝膠材料水凝膠彈性模量具有顯著影響細胞的ROS性能。相關研究內容論文發表于J. Biomed. Mater. Res. A 2014102A: 2258–2267 （II區，IF₂₀₁₄=2.841），授權國家發明專利1項（授權號：ZL201110191554.0）。

為了解決人體視網膜色素上皮細胞（retinal pigment epithelium, RPE）在體外培養時易于老化的問題，我們開展了在高分子水凝膠支架表面培養RPE細胞，并研究了水凝膠性能對RPE細胞氧化應激性能的影響。發現帶負電荷的水凝膠可以促進ARPE-19細胞擴增，并通過對細胞核和細胞骨架蛋白actin的染色表明細胞擴增生長為密集的細胞單層膜，然而ARPE-19細胞不能在中性poly (N, N-dimethylacrylamide) (PDMAAm)表面擴增。通過測定不同彈性模量的水凝膠表面培養的ARPE-19細胞膜的活性氧簇( reactive oxygen species, ROS)發現，水凝膠的彈性模量顯著影響細胞的ROS。當水凝膠的彈性模量5.0 kPa 和24.05.0 kPa時，比在組織培養板表面培養的細胞的ROS分別低44％和50％， 然而當水凝膠的彈性模量為169.3 kPa時，與在組織培養板表面培養的細胞的ROS沒有顯著性差異。可以推測軟的水凝膠為ARPE-19細胞提供了更類似于其在體內的生長微環境，有助于細胞增強其固有的抗氧化防御功能。基于上述研究基礎我們提出：作為組織工程用細胞培養支架材料，僅僅能促進細胞的生長還遠遠不夠，只有在其上培養的細胞具備與生體細胞同樣功能的材料，才具有組織工程應用價值的學術觀點。

7. 制備了同時具有良好拉伸性能、低彈性模量、良好導電性、高透明度、熱穩定性于一體的凝膠導電材料，并測定了其作為介電彈性體驅動器材料的性能。相關工作論文發表在最有學術影響力的國際期刊 ACS Appl. Mater. Interfaces  2014, 6：7840?7845 （I區，IF₂₀₁₄= 5.900），申請國家發明專利1項（申請號：201410024886）。

在新型功能離子液體凝膠材料的設計制備方面，關注高拉伸性能柔性離子導電材料的研究，為可以任意彎曲，拉伸、壓縮，扭曲的柔性電子（flexible electronics）器件在變形為復雜的、非平面形狀的同時，保持良好的使用性能，可靠性和集成性提供關鍵技術儲備。我們成功制備了同時具有良好導電性能、高拉伸性能、透明度高、并且電阻不隨應變而變化的離子液體凝膠。該離子液體凝膠具有較好的導電性(0.22 S m^?1)，低模量(~3kPa)，高的斷裂伸長率(~4.6)，并在幾百個大變形循環之后幾乎無滯后和退化現象。用這種離子液體凝膠和介電彈性體，組裝了電壓驅動面積應變在140%的介電彈性體驅動器。該驅動器在干燥和潮濕的環境下任然可以穩定工作至少100萬次。離子凝膠的透光性可以使其滿足各種光學設備，如聚焦眼球，透明揚聲器、噪音消聲器，其不揮發性可以使驅動器在敞開的環境下工作。

8. 實現了水凝膠的器件化，利用植入水凝膠表層的樹枝狀銀納米結構作為可隨外界壓力變形的金屬電極實現了雙電層電容型水凝膠壓力傳感器的構建，首次提出及驗證了壓力作用導致水凝膠內樹枝狀銀納米結構分枝部分面積變化，引起沿樹枝狀銀納米結構外圍輪廓分布的雙電層電容變化的新機理；并首次實現了該水凝膠壓力傳感器在水下聲波探測中的應用。相關工作論文發表在最有學術影響力的國際期刊 Nature Communications  accepted, （I區，IF₂₀₁₄= 11.329）。

柔性壓力傳感器作為未來可移動智能設備中不可或缺的關鍵性元件之一，在柔性顯示屏，可穿戴設備，電子皮膚，生物監測等領域表現出巨大的應用前景。水凝膠材料因其具有良好的生物相容性，與人體組織器官相匹配的楊氏模量，與水環境相匹配的體積模量及在水下很小的聲阻抗等優勢而在柔性壓力傳感器及柔性水下聲波探測器方面表現出巨大的潛力。我們首次設計制造了水凝膠壓力傳感器及基于此的水凝膠水下聲波探測器。該水凝膠壓力傳感器水凝膠在空氣中可對靜壓、氣流等壓力信號作出響應。與傳統介電電容式壓力傳感器相比，水凝膠壓力傳感器由于利用雙電層電容而具有顯著增高的絕對靈敏度0.1 nF/kPa，同時也具有相當的相對靈敏度4.8 kPa^-1。利用其構建的水下聲波探測器可對聲波源信號的頻率、振幅、方向等變化進行及時響應，對聲波頻率的最高響應極限可達2000赫茲，且與商用水聽器相比在小于60赫茲時具有明顯更強的響應能力（圖11）。從而在超低頻水聲探測領域表現出巨大的應用前景。

圖11水凝膠壓力傳感器用于水下聲波測量，對聲源信號不同頻率、振幅及方向的響應。（a）基于水凝膠壓力傳感器所構建的水下聲波探測裝置示意圖；（b）水凝膠聲波探測器對不同頻率（200、500、1000 Hz）水下聲波的響應；（c）水凝膠聲波探測器對100Hz聲源信號不同振幅（100%、50%、10%）的響應；（d）水凝膠聲波探測器對以不同角度入射的同一聲源信號的響應；（e）在低頻水聲頻率掃描下水凝膠聲波探測樣品與商用水聽器的響應曲線。