多重刺激响应明胶凝胶膜制备与性能研究

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刺激响应材料是制备传感器中最重要的研究内容之一。传统的刺激响应材料功能体系单一,不能满足当前需求;多重刺激响应材料因其具有柔韧性好、操作处理方便、仿生功能强等诸多优异性能,被广泛应用于各种领域。二乙炔作为一种共轭材料,其聚合物是一种新型多重刺激响应材料,由于其特殊的光学性质而被大量的研究者关注。二乙炔聚合物(PDA)呈现胶束颗粒状,其与明胶结合可制备成生物相容性好、可塑性强、环境友好的刺激响应凝胶体系,该体系在紫外光照下会由无色变为蓝色。本研究实验表明该蓝色PDA凝胶体系具有温度和pH双重刺激响应特性。同时在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微米阵列结构膜上层铺PDA胶束凝胶,使其形成复合膜结构,实验表明该复合膜结构继承了PDA凝胶刺激响应特性,同时具备更好的柔韧性,可应用于复杂多样的生产环境。具体来说,本研究课题可分为如下几个部分。本文第一部分,首先将二乙炔单体通过化学自组装制成聚二乙炔(PDA)聚合物胶束结构,并对该聚合物结构进行表征,探究它的直径大小和外貌特征。然后利用经过紫外光照变蓝的PDA胶束溶液,研究该蓝色的PDA胶束水溶液温度变化、碱性递增、酸性递增等刺激响应实验。最后使用紫外吸收光谱和荧光光谱对实验结果进行分析。实验分析结果表明,蓝色PDA胶束水溶液具有温度和pH双重刺激响应特性。本文第二部分,PDA胶束水溶液与明胶混合制备成PDA胶束凝胶。首先向PDA胶束水溶液中加入了不同含量的明胶制成水凝胶体系,将其干燥后观察外貌特征。实验结果表明随着明胶加入量降低,其相应的水凝胶的空隙变大,实验发现当在20ml PDA胶束溶液中加入0.4 g明胶时,该明胶添加量下制备的凝胶体系即能成固体状态,又能使PDA胶束颗粒保持刺激活性,具有优良的实验性能。然后利用经过紫外光照射变蓝的PDA胶束凝胶,研究该蓝色PDA胶束凝胶随着温度升高和碱性环境刺激响应实验;以及PDA胶束凝胶的可塑性实验、细胞毒性实验。最后通过测试紫外吸收光谱和荧光光谱对刺激响应实验结果进行分析。综合实验结果证明,PDA胶束凝胶具有可塑性、生物相容性、和对温度和pH双重刺激响应特性。本文第三部分,由于PDA胶束凝胶体系力学性能较差,因此需要设计承载体以提升其性能的同时扩展该凝胶的应用领域。本实验首先利用BOSCH工艺,设计制作了具有表面阵列结构的硅模板。然后将该硅模板作为模具,在其上注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物,以此制备出具有阵列结构的PDMS膜,并通过旋涂的方式控制此膜的厚度,同时研究了旋涂工艺(转速和旋转时间)对PDMS膜的厚度影响。之后将具有阵列结构的PDMS膜与PDA胶束凝胶使用上述旋涂工艺复合成膜,利用紫外光照实验测试该复合膜的温度和pH刺激响应特性,最后通过测试紫外吸收光谱和荧光光谱进行实验结果分析,实验结果证明该复合膜具有柔韧性和对温度和pH双重刺激响应特性。
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