杂化交联高强度水凝胶的超润滑研究

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生物医学材料由于要适应生物体复杂的环境,在生物相容性、力学强度、润滑等多方面均需要达到与天然材料相近的性能。近年来,随着生物医学的发展,一些特殊的人工替代材料在临床治疗上也实现了应用。水凝胶因具有与人体软组织相似的结构而成为其理想的替代材料,长久以来力学强度不足一直制约着水凝胶在软组织替代材料方面的应用,直到高强度的双层网络(Double network)水凝胶出现。基于高强度双层网络水凝胶的概念,合成出聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)水凝胶、聚丙烯酰胺/海藻酸钠(PAAm/SA)水凝胶并研究了PVA/SA水凝胶的增韧机理,自修复性能和摩擦性能。同时也讨论了离子环境溶液对PVA/SA和PAAm/SA水凝胶性能的影响。PVA/SA水凝胶断裂伸长率达到510%,表现出优异的延展性。最大拉伸强度达到1.9 MPa,韧性高达4461 kJ/m3,实现了高强度水凝胶的制备。由于离子交联键的再生功能,PAAm/SA水凝胶具有优异的瞬时疲劳修复能力,在结构遭到破坏后,力学强度几乎可以完全恢复。PAAm/SA拉升至一定应变后浸泡在Ca2+离子溶液后,其杨氏模量可恢复到初始值的90%,耗散能可恢复到初始值的75%。我们制备了PAAm/SA水凝胶,并分别测定了Na+、Ca2+及Fe3+三种不同价态离子对其弹性模量、含水率、摩擦行为的影响。研究表明,Fe3+溶液中,PAAm/SA的弹性模量为126 kPa,是初始模量的14倍。PAAm/SA水凝胶摩擦应力在整个速率范围内较PAAm最大有一个数量级降低。随离子价数的增大,SA和PAAm/SA水凝胶摩擦应力均呈现增大趋势。当浸泡溶液由Ca2+变为Fe3+时,PAAm/SA水凝胶的摩擦行为由混合润滑变为边界润滑。另外,PAAm/SA水凝胶在Fe3+中的摩擦应力对压力的敏感性随速率增大呈现减小趋势。
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