仿生天然高分子水凝胶在医用材料方面的应用

天然高分子水凝胶具有高度水合的三维网络结构,显示出独特的粘附性,能有效地控制出血,减少二次感染,且生物相容性和生物降解性好,是一种理想的医用粘合剂材料。近年来,鉴于目前医用粘合剂研发制备中对水下湿粘性以及生物降解性能等要求越来越严格,具有耐水粘附性、生物安全性和形状可控性的新型粘附材料成为研究的热点和难点。自然界生物对各种基质的粘附性主要取决于其组成或结构,利用天然高分子水凝胶材料进行仿生,可以使其兼具优异的组织粘附性、止血抑菌性和形状可控性等特性,是解决上述问题的有效策略。本文概述了两种类型的仿生天然高分子水凝胶材料粘附机制,针对性地讨论了贻贝、藤壶、牡蛎的组成特性和咸水鱼、细胞外基质(extracellular matrix)的结构特点以及粘附机理,并介绍了相应仿生天然高分子水凝胶材料在组织愈合、伤口止血及药物递送方面的研究进展。最后,对仿生天然高分子水凝胶在未来的发展方向进行展望并为其提供相应的建议。     

仿生多尺度功能水凝胶的设计与制备:从二维界面到三维网络

水凝胶是以大量水为分散介质的三维高分子网络.高分子网络和水分子之间的氢键将水束缚在网络内部,从而使体系丧失流动性并转变成一种准固态物质.水凝胶能够在多种外界刺激下改变形状和体积,因此在软体机器人、柔性电子器件和传感器等领域具有广泛的应用前景,也引起了科研人员的关注.在生物软组织中,多尺度结构(如表面微/纳米结构,有序三维网状结构)的存在对于生物材料的自清洁、耐冻、环境适应性和优异的机械性能等功能至关重要.受生物水凝胶结构与功能特性的启发,研究人员开发了一系列对各种机械和环境条件具有高度适应性的仿生多尺度水凝胶.本文将从水凝胶的二维界面和三维网络的设计2个方面总结和讨论近年来仿生多尺度水凝胶的研究成果.二维界面设计包括表面化学/物理修饰、表面微/纳米结构构筑,能够调节水凝胶的表面浸润性和黏附性,拓展水凝胶在生物医学、海洋防污等领域的应用;三维网络设计,如引入非共价交联作用、设计有序网络结构、复合异质网络等,能够赋予水凝胶自修复性能、各向异性、高强度、形状记忆性能及抗冻性等优异的特性,拓展了水凝胶在可穿戴设备、软体机器人等领域以及复杂环境中的应用.最后我们对仿生水凝胶网络的设计、异质网络的分散以及无损表征等方面未来的发展以及该领域所存在的挑战作出展望.     

水凝胶仿生柔性电子学

水凝胶力学性质与生物组织相似,生物相容性好,在生物电子学领域具有独特的优势.受生物组织——如皮肤、神经、肌肉等启发,发展了具有仿生结构和功能的水凝胶材料.以这种水凝胶材料制作而成的柔性电子器件具有感知温度、压力、应变、电场等外界刺激的功能,可模拟生物组织的传感能力,在仿生电子皮肤,人工肌肉,人工神经等领域具有重要的应用...     

仿生高分子的研究进展

本文介绍了近年来结构仿生高分子材料和功能仿生高分子材料方面的研究进展,介绍了生物材料的多级有序结构、智能水凝胶、仿荷叶表面、高分子在细胞培养和生物矿化等方面的研究结果,探讨了这一领域的可能发展方向.     

聚合物纳米粒子的制备及其新型物理水凝胶结构的AFM和SEM研究

凝胶材料是生物系统的重要组成物质,在生物模拟、仿生等方面具有重大意义.最近凝胶方面的研究日益受到关注^[1,2],高分子凝胶体系的研究也得到深入开展^[3,4].在智能水凝胶、凝胶特性基础研究和医用凝胶材料等领域已取得了较大进展.     

透明质酸水凝胶在组织修复中的应用

透明质酸是细胞外基质的主要成分之一,参与调节如细胞黏附、增殖和分化等许多细胞生理过程。由其作为基础材料制备的三维网络状水凝胶可在一定程度上模拟细胞外微环境,协同干细胞在组织修复中发挥积极作用。透明质酸水凝胶因其良好的生物相容性和生物活性而得到广泛应用。为了增强透明质酸水凝胶在各类组织损伤中的长效特异性修复,既可设计水凝胶的机械性能等自身特性以达到仿生水平,也可考虑在水凝胶上负载其他活性成分并对其实现可控释放从而达到治疗效果。本文详细阐述了透明质酸水凝胶在皮肤修复、骨修复、软骨修复和中枢神经系统修复中的应用,并对其发展方向进行了展望。     

具有环境响应性的纤维素基水凝胶

随着对可再生资源开发利用的逐渐重视,基于纤维素环境响应型水凝胶结构设计及其响应性能的研究备受关注.环境响应纤维素基水凝胶不仅具有良好的生物相容性和生物可降解性,还表现出对环境因素特定的检出识别能力及明显响应性,拓展了水凝胶材料在生物医用、仿生智能材料等领域的应用.本综述首先从环境响应型纤维素水凝胶材料的结构设计出发,以交联方式分类简要介绍了纤维素基水凝胶的合成方法,具体包括物理交联、化学交联和其他交联方式等.接着,从水凝胶功能性入手,重点介绍了以一种或多种化学信号、物理信号为刺激源响应的纤维素基水凝胶材料;并以药物载体、形状记忆材料和伤口敷料等方面研究成果为例,阐述了环境响应型纤维素基水凝胶的相关应用,以及其在智能软体机器人和环保生物传感器等领域的巨大应用潜力.     

多孔水凝胶研究进展

水凝胶是亲水性而又不溶于水的高分子聚合物材料,因其独特的吸水、保水和仿生特性而受到材料科学和生物医学工作者的关注。将多孔结构引入水凝胶可以极大地提高其溶胀率、溶胀速率和刺激敏感性。本文结合作者实验室开展的波聚合法制备多孔水凝胶的研究工作,较全面地介绍了国内外多孔水凝胶材料的研究现状及其在生物医药领域的应用,并对其发展前景进行了展望。     

可持续抗非特异性蛋白质吸附的凝血酶响应型水凝胶涂层

仿生人体血液系统抗凝机制,在异体材料表面构建兼具生物惰性和响应性抗凝活性的涂层,是解决血液接触类器械在应用过程中引发血栓生成的理想路径.为此,本研究设计了一种能够持续性抗非特异性蛋白吸附并可特异性抑制血栓形成的凝血酶响应性水凝胶涂层.该涂层以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为主要骨架成分,结合凝血酶底物多肽交联剂(Pe...     

丙烯酸基水凝胶处理重金属废水的研究进展

重金属废水因其对环境污染严重、危害人类健康而越来越引起人们的重视。丙烯酸基高分子水凝胶由于含有多种功能基团和大量的活性吸附位点,在重金属吸附方面发挥了重要作用。本文主要综述了丙烯酸基高分子水凝胶在重金属废水处理方面的研究进展,总结和归纳了聚丙烯酸基高分子水凝胶的制备方法和分类等,分析了聚丙烯酸基高分子水凝胶作为吸附剂在重金属废水处理方面存在的问题,并对其后续应用和研究进行了展望。     

辐射诱导合成水凝胶及其处理重金属废水的研究进展*

水凝胶是一种经适度交联而具有三维网络结构的新型功能高分子材料。制备水凝胶因操作简单、无须添加交联剂和引发剂等优点而受到关注。传统的处理重金属废水的方法或成本较高,或效率低,利用水凝胶处理重金属废水成为一种新的颇具潜力的方法。本文综述了辐射法制备水凝胶及其在重金属吸附去除方面的研究进展包括材料的制备、改性、去除重金属性能等方面的研究进展,并指出了水凝胶去除重金属的发展前景和今后的研究方向。     

氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶的研究进展

氧化石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料, 具有优异的力学性能和良好的水分散性, 其表面有大量的含氧官能团. 将氧化石墨烯引入水凝胶体系中可以提高水凝胶的机械性能, 丰富其刺激响应的类型. 目前, 氧化石墨烯水凝胶在高强度、 吸附、 自愈合及智能材料等很多领域均有出色的表现. 氧化石墨烯水凝胶的研究已有10年的历史. 本文总结了氧化石墨烯水凝胶的制备方法, 归纳了智能氧化石墨烯水凝胶在光热响应、 pH响应和自愈合3个方面的响应机理和研究进展, 并综合评述了其在高强度水凝胶、 生物医学、 智能材料和污水处理等方面的应用前景.     

多功能超润湿材料的设计制备与应用

仿生超润湿材料是指类似自然界中生命体具有的特殊浸润界面性质的一类材料。近20年来,研究人员通过模仿自然,揭示了一系列超润湿界面材料的构建机理,设计制备了多种仿生超润湿材料,并将这些具有特殊表面浸润性能的材料拓展应用到了国防、军工、航空航天、建筑、农业、医疗、海洋防污等众多领域。本文首先介绍表面润湿现象的基础理论,接着从仿生的角度出发,介绍了以仿荷叶、鱼鳞、沙漠甲虫、猪笼草为代表的几种拥有不同表面浸润性能的材料,并总结了这几种材料的仿生设计原理、结构与性能的关系以及所面临的问题。综述了近年来仿生超润湿材料在防污抗菌、防雾防霜防覆冰、油水分离等方面的应用进展,最后展望了仿生超润湿材料的发展方向。     

凝胶介质中仿生矿化过程的研究*

本文综述了凝胶介质中仿生矿化过程的研究进展。仿生矿化是当前化学、生物学和材料科学的研究前沿和热点。近年来,越来越多的生物学证据表明：生物体中的蛋白质和多糖等生物大分子,往往通过超分子组装形成凝胶状基质网络,进而对生物矿化过程施加影响。因此,凝胶介质中的仿生矿化研究对深入了解生物矿化机理,以及从理论上指导先进功能材料的设计和合成具有重要意义。迄今为止,研究人员已经对天然和合成高分子凝胶、超分子水凝胶和无机凝胶等多种凝胶介质中的仿生矿化过程进行了研究。结果表明：凝胶介质主要通过其三维网络结构限制反应离子在其内部的扩散速率,并掺杂到无机矿物的晶体结构中,从而影响生成晶体的形貌和构造。而且在有机基质(如水溶性有机高分子和自组装单层等)的协同作用下,凝胶介质中的仿生矿化过程也呈现出与水溶液中不同的特点。此外,本文还介绍了当前对凝胶介质中矿物形貌的调控和矿化机理的几种不同观点,并对该领域未来的研究和应用进行了展望。     

核壳结构三维有序水凝胶的制备

随着科学技术的发展 ,人们不断地寻求具有新特性、新功能的高分子材料 .聚合物凝胶作为一种智能高分子材料 ,受到极大的关注[1,2 ] .聚合物凝胶具有外场响应特性 ,其体积可随外界环境如溶剂、温度、电场、磁场、ｐＨ值、化学物质或光照等条件的改变而变化 ,因而在药物可控释放、吸附分离及传感器等方面具有潜在应用价值 .对聚合物凝胶进行图案化处理 ,使之成为有序结构 ,大大拓宽了凝胶的应用范围 .Ｈｕ等[3 ,4 ] 首先报道了环境响应水凝胶表面图案的调控技术 ,图案的特征尺寸在微米级 ,此类凝胶作为光栅 ,在光纤、传感器和光通信中具有潜在…     

纳米纤维素的改性及其吸附重金属离子的应用研究

纳米纤维素材料(cellulose nanomaterials,CNs)作为一种可再生材料,具有比表面积大、高结晶度、高强度、高杨氏模量、高表面活性、化学性质稳定等优异性能。纤维素作为天然高分子材料,在清除水体重金属离子中具有较好的应用的价值,因此本文对纤维素的改性及其吸附重金属的应用进行了综述。首先简要地介绍了纳米纤维素的结构与命名方法;其次,对纳米纤维素的改性(即小分子改性与高分子改性)进行了详细的介绍,并重点阐述了改性纳米纤维素基材以粉末、凝胶(包括水凝胶与气凝胶)两种不同的形态通过吸附清除水体重金属离子的应用研究。最后,对改性纳米纤维素基水吸附材料存在的优缺点进行了探讨,并指出了该材料在生产和应用过程中还需解决的问题。     

仿贻贝水凝胶在组织愈合中的应用研究

手术线缝合和订皮钉固定是外科手术中修复组织损伤的常规方法,但是对于相对脆弱的软组织,使用组织粘合剂是代替常规组织修复的重要方法之一.尽管合成的组织粘合剂已经得到广泛应用,但是仍然存在一些缺点,例如湿润环境中粘合性差和潜在毒性等.纤维蛋白胶具有良好的止血性能,但是存在拉伸性和粘附性差、价格昂贵等缺点.仿生粘合剂作为组织粘附剂、止血剂或密封剂在临床手术中应用广泛.然而,在组织创伤的修复应用中,发展耐水粘附、具有生物相容性,多功能一体化的医用粘合剂是近年来研究的热点和难点.自从Messersmith课题组报道了受贻贝启发的多功能聚多巴胺涂层以来,含有酚羟基的材料由于其抗氧化、抗菌消炎等功效,被广泛地应用于医学、食品、化妆品和水处理等领域.仿贻贝水凝胶具有优异的组织粘附性、止血抑菌性、生物安全性和可塑性,是理想的医用粘合剂材料.概述了多酚-合成高分子水凝胶、多酚-生物大分子水凝胶、多酚-无机纳米材料复合水凝胶以及聚多巴胺纳米颗粒复合水凝胶在组织粘附、止血抑菌等方面的研究进展和在组织愈合中的应用探索.总结了多酚水凝胶作为医用组织粘附剂、止血剂、密封剂仍需解决的关键问题,并对此领域的发展趋势进行了展望,有助于推动仿贻贝水凝胶作为新兴生物粘合剂在医学领域中的应用.     

酶促水凝胶的合成及生物传感应用研究进展

近年来,聚合物基水凝胶材料已经成为一种独特的修饰材料,为新型生物传感器的设计提供了新思路.酶具有特异性高、毒性低、催化效率高等良好特性,已被用于催化聚合各种新型水凝胶.本文综述了几种酶促水凝胶的合成方法及其在细胞代谢物、组织工程、伤口愈合和癌症监测等方面的潜在应用,并对基于酶促水凝胶反应的生物传感器的制备与应用进行了总...     

离子交换及多孔材料的制备与应用

离子交换和多孔材料是一类高效的吸附剂,这类新型的高效吸附分离材料具有高的比表面积或丰富的表面官能团;显示出高的吸附容量、快的吸附或脱附速度和一定的吸附选择性;可织成束、纸、布、毡等多种集合形态.本文简要地介绍了包括离子交换纤维、螯合纤维、活性碳纤维、碳气凝胶等新型离子交换和多孔材料的制备、吸附特征研究的进展,并介绍了它们在饮用水净化、环境治理、资源回收、化学工业和医疗卫生、催化剂等方面的应用.     

功能性纤维状二氧化硅纳米粒子的调控制备及在吸附分离中的应用

利用吸附剂对环境中污染物进行分离去除是环境污染治理的有效方法和常用方法,其中以无机材料为载体的功能化吸附剂应用更为广泛。二氧化硅纳米颗粒具有稳定性好、易修饰、成本低和对环境友好等特点,在环境污染物的吸附分离方面具有广阔的应用前景。纤维状硅球与传统的二氧化硅纳米颗粒相比具有比表面积大、有开放孔道等优点,在实际吸附分离应用中能够提供更多有效吸附位点且孔道不易堵塞,是一种更具潜力的吸附剂载体。本文结合本课题组的研究工作对纤维状硅球的合成制备尤其是结构参数的调控方面进行了归纳分析;在分析近年来关于重金属、有机物、放射性核素等环境污染物处理相关研究的基础上,对功能性纤维状硅球在环境污染物吸附分离领域中的应用进行总结;最后从纤维状硅球合成方面的局限性以及应用方面的潜力对功能性纤维状硅球在吸附分离领域中的应用前景进行了展望。