温敏性微凝胶在冰晶体模板中组装形成纤维的研究

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温敏性纤维是一种能响应环境温度变化刺激而发生体积相转变的智能纤维,在纤维直径产生变化的同时,也伴随着纤维含水率、亲疏水性以及折光率等物理性能的变化。由于温敏性纤维直径小,比表面积大,因此它的温度刺激响应速度要明显快于常见的温敏性块状水凝胶。温敏性纤维在生物医学领域有潜在的应用前景,如用于组织工程支架、蛋白质分离材料、酶的固定载体以及作为药物可控释放载体等等。本文采用单向液氮冷冻法,使具有温度敏感性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)微凝胶、SiO2/PNIPAM核壳复合微凝胶、PNIPAM空心微凝胶分别在冰晶体模板中组装,制备出PNIPAM纤维、SiO2/PNIPAM无机/有机复合纤维和具有不连续中空结构的PNIPAM纤维。由于冰晶体模板法制备纤维无需专门的纺丝设备,不使用有机溶剂,不添加任何助剂,不产生任何副产物,因此该方法具有高度的生物相容性、经济性和环境友好性,制备的温敏性纤维更适合用于生物医学领域。本文取得的研究结果主要有以下几方面:(1)以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为单体、亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,通过乳液聚合的方法合成了单分散性好的PNIPAM微凝胶。分别采用冰箱冷冻和单向液氮冷冻的方法对1wt%浓度的PNIPAM微凝胶水分散液进行冷冻,结果发现只有在单向液氮冷冻形成的冰晶体模板中,PNIPAM微凝胶组装形成了纤维。用场发射扫描电镜在低加速电压下观察到纤维由PNIPAM微凝胶按六边形有序堆砌形成。纤维直径随着PNIPAM微凝胶粒径的减小而减小,随着微凝胶分散液浓度的升高而增加。(2)用甲基丙烯酸-3-(三甲氧基硅基)丙酯(MPS)对溶胶-凝胶法合成的SiO2胶体粒子表面进行改性,使其表面接枝能够参与自由基聚合反应的乙烯基基团。再以MPS改性的SiO2胶体粒子作为种子,以NIPAM为单体,MBA为交联剂,通过种子乳液聚合法合成出单分散性好的SiO2/PNIPAM核壳复合微凝胶。最后采用单向液氮冷冻法将核壳复合微凝胶在冰晶体模板中组装成SiO2/PNIPAM复合纤维。场发射扫描电镜观察到SiO2/PNIPAM复合纤维表面微凝胶粒子形成有序排列,比上述PNIPAM纤维表面微凝胶粒子的突起更加明显。(3)用HF酸除去SiO2/PNIPAM核壳复合微凝胶的内核SiO2制备了PNIPAM空心微凝胶,FTIR、TGA、TEM和SEM的表征结果表明微凝胶中SiO2内核已除去。采用冰晶体模板法将PNIPAM空心微凝胶组装形成了具有不连续中空结构的中空纤维。与PNIPAM微凝胶和SiO2/PNIPAM核壳复合微凝胶组装形成的纤维相比,PNIPAM空心微凝胶组装形成的纤维表面辨不出微凝胶粒子,只看出许多形成有序排列的小凹坑。
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