石墨烯/羟基磷灰石/聚乙烯醇形状记忆水凝胶的制备及多刺激条件的探究

摘要

形状记忆聚合物（Shape memory polymer，SMP）是一类新型功能高分子材料，与其他形状记忆材料如合金相比，高分子形状记忆材料能够对热、光、电及溶剂等多种条件发生刺激响应，且响应幅度大。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)水凝胶稳定性好、易加工、无刺激性及良好的生物相容性，在生物医学领域具有广泛的应用。羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是一种磷酸钙生物陶瓷，具有良好生物活性和生物相容性。石墨烯拥有优异的力学特性、高长径比以及多种含氧官能团，经常被用作增强相提高基体力学强度，且无细胞毒性。高分子水凝胶固有的力学性能差使其在许多应用如人体组织上不能直接被利用，因而添加HA和RGO到PVA基体中，不仅改善了材料的力学强度又使其具有良好的生物相容性，拓宽了PVA在生物医学领域的应用。
　　本论文通过原位生长法将HA与RGO的复合粉掺入PVA基体中，成功制备得到结构均一的RGO/HA/PVA水凝胶，并对其进行结构及力学性能等表征。结果表明，RGO/HA/PVA水凝胶结构均一，HA颗粒在PVA基体中均匀分散，有良好的热稳定性。与纯PVA相比，RGO/HA/PVA水凝胶的抗拉强度提高3倍，断裂伸长率增加约7倍。形状记忆测试中，RGO/HAfPVA水凝胶在溶剂（水及PBS溶液）热诱导刺激条件下均有良好的形状记忆性能，尤其是在水70℃，和具有体温37℃的PBS溶剂中也有很好的形状记忆效果，水凝胶最终形变回复率都能达到100％。但在热刺激条件下，RGO/HA/PVA水凝胶的形状回复较差，回复率仅达82％。
　　考虑RGO不同添加量对RGO/HA/PVA水凝胶的结构、性能及形状回复性能的影响，本论文选择三种不同RGO添加量的RGO/HA/PVA复合水凝胶来进行讨论。结果表明，RGO含量多少不会影响RGO/HA/PVA水凝胶的均一性，RGO含量的增多会提高其热稳定性。当RGO含量为6.67wt％时，RGO/HA/PVA水凝胶有最好的抗拉强度和断裂伸长率，分别为0.18Mpa和254％。对于形状记忆测试结果，不同RGO含量的RGO/HA/PVA水凝胶在溶剂（水或PBS）热诱导刺激条件下，均有很好的回复效果，且最终形变回复率能够达到100％，当RGO含量为6.67wt％时，RGO/HA/PVA水凝胶有更好的形状记忆性能。在不同刺激条件下，RGO/HA/PVA水凝胶的形状记忆效果由高到低依次为水70℃、PBS37℃、PBS70℃、水37℃、热致，RGO的添加不利于 RGO/HA/PVA水凝胶的热致形状回复。
　　通过体外MC3T3-E1成骨细胞共培养，探讨HA/PVA和RGO/HA/PVA水凝胶的细胞相容性，并考察了RGO/HA/PVA复合水凝胶中不同RGO的添加量对成骨细胞的影响。结果发现，添加HA和RGO改善了复合水凝胶的细胞相容性，促进细胞增殖。相比较于空白孔中的细胞，RGO/HA/PVA水凝胶上的细胞有更好的细胞增殖，且RGO/HA/PVA水凝胶的细胞增殖随着RGO含量的增加而更好，RGO含量为6.67wt％时，RGO/HA/PVA水凝胶有最好的细胞增殖情况。然而，RGO/HA/PVA水凝胶不利于细胞的活性，但不利影响随着RGO含量的增加而减小，说明RGO无毒性，不会影响细胞的正常生长。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 智能聚合物材料

1．1．1 智能聚合物材料的概述

1．1．2 智能聚合物材料的种类

1．1．3 智能聚合物材料的应用

1．2 形状记忆聚合物凝胶

1．2．1 形状记忆聚合物凝胶的概述

1．2．2 形状记忆聚合物凝胶的种类

1．2．3 聚乙烯醇水凝胶的应用

1．3 增强聚乙烯醇的材料

1．3．1 羟基磷灰石增强PVA的研究现状

1．3．2 石墨烯增强PVA的研究现状

1．4 本论文的研究意义、目的及内容

1．4．1 研究意义与目的

1．4．2 研究内容

第2章 不同复合水凝胶的表征及形状记忆性能的研究

2．1 引言

2．2．1 原料和试剂

2．2．2 水热法制备RGO／HA复合粉

2．2．3 原位生长法制备RGO／HA／PVA形状记忆水凝胶

2．2．4 测试表征方法

2．3 表征结果与分析

2．3．1 XRD分析

2．3．2 FT-IR分析

2．3．3 复合水凝胶断面形貌分析

2．3．4 XPS分析

2．3．5 热性能分析

2．3．6 复合水凝胶的Tg分析

2．3．7 拉伸性能的分析

2．3．8 复合水凝胶的含水率分析

2．3．9 复合水凝胶的溶胀性能分析

2．3．10 HA晶体的原位生长过程

2．4 不同复合水凝胶的形状记忆性能的分析

2．4．1 表征方法

2．4．2 形状记忆测试方法

2．4．3 复合水凝胶的形状记忆性能分析

2．4．4 复合水凝胶的形状记忆机理分析

2．5 本章小结

第3章 不同RGO含量对RGO／HA／PVA复合水凝胶的结构及形状记忆性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料和试剂

3．2．2 RGO／HA／PVA形状记忆水凝胶的制备

3．2．3 测试及表征方法

3．3 结果与分析

3．3．1 XRD分析

3．3．2 FT-IR分析

3．3．3 复合水凝胶断面形貌分析

3．3．4 XPS分析

3．3．5 热性能分析

3．3．6 复合水凝胶的Tg温度分析

3．3．7 拉伸性能的分析

3．3．8 复合水凝胶的含水率分析

3．3．9 复合水凝胶的溶胀性能分析

3．4 不同RGO含量的复合水凝胶的形状记忆性能的分析

3．4．1 表征测试方法

3．4．2 形状记忆测试方法

3．4．3 复合水凝胶的形状记忆性能分析

3．5 本章小结

第4章 复合水凝胶的细胞相容性评价

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验原料与试剂

4．2．2 细胞所需试剂的配制

4．2．3 材料预处理

4．2．4 成骨细胞的培养

4．2．5 细胞的接种

4．2．6 细胞形态观察

4．2．7 细胞增殖活性检测

4．2．8 细胞分化能力检测

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 不同复合水凝胶的细胞结果与分析

4．3．2 不同RGO含量的RGO／HA／PVA水凝胶的细胞结果与分析

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献