高强度纳米复合水凝胶的仿生自组装制备及性能研究

本项目提出通过原位聚合合成聚合物-石墨烯二维纳米复合构筑单元溶胶，结合仿生自组装过程制备具有层状有序结构的石墨烯基高强度纳米复合水凝胶的新方法。拟主要研究获得高度水溶性石墨烯的合成技术和功能化修饰方法，探索石墨烯和功能单体原位聚合制备纳米复合构筑单元溶胶的形成机理和反应条件。研究仿生自组装过程对纳米复合水凝胶薄膜微观结构有序性和表面结构的影响规律。进而，揭示水凝胶中石墨烯和聚合物间的相互作用、水凝胶形成机理、微观网络结构和功能特性及其相互关系。从而加深对纳米复合水凝胶性能和制备方法之间关系的规律性认识，获得力学性能、导电性能、溶胀性能和环境响应性可控的层状有序结构的石墨烯基纳米复合水凝胶。本研究有助于石墨烯基纳米复合材料和高强度纳米复合水凝胶的发展，为高强度纳米复合水凝胶的合成提供新的制备技术，特别是为利用仿生自组装技术获得结构规整有序和性能优异的水凝胶研究方面奠定基础。

高强度水凝胶的研究对于其在生物医用材料领域的应用具有重要意义，而石墨烯具有优异的力学性能和二维层状结构，是利用仿生自组装方法制备高强度水凝胶的理想构筑单元。本项目的主要研究内容是利用原位聚合的方法制备聚合物-石墨烯二维纳米复合构筑单元溶胶，然后结合仿生自组装过程制备具有层状有序结构的石墨烯基高强度纳米复合水凝胶。.本项目的主要研究结果是，利用改进的Hummers法制备得到水溶性的氧化石墨烯(GO)，其在水中稳定分散的浓度可以达到5-8mg/ml，其厚度约1.1nm，是一种完全氧化剥离的单层石墨烯；将GO与单体丙烯酰胺（AM）、羟甲基丙烯酰胺（HAM）等一起原位聚合形成复合构筑单元，或与生物大分子壳聚糖（CS）和明胶（Gelatin）直接混合形成复合构筑单元，然后再通过真空抽滤和水蒸发诱导自组装的方法制备了一系列的层状有序结构的高强度纳米复合水凝胶。.研究结果表明，自组装制备的GO-PHAM水凝胶最大拉伸强度为2.3MPa，而原位自由基聚合直接得到的GO-PHAM水凝胶的最大拉伸强度仅55KPa，对比可知水凝胶薄膜的强度提高了约44倍。利用水蒸发诱导自组装制备的GO-CS复合水凝胶，具有层状有序的规整结构，其最大拉伸强度和模量分别为5.35MPa和5.11MPa，与相应的纯CS水凝胶相比，分别提高了188%和104%，与软骨组织的力学强度相当，这表明我们制备的高强度GO-CS纳米复合水凝胶在人工肌肉、关节软骨、组织工程等生物医用材料领域有潜在应用前景。同时，GO-CS复合水凝胶还具有优异的pH诱导形状记忆效应。.另外，通过冷冻干燥处理GO-CS复合溶胶，可以得到层状有序结构的GO-CS复合海绵，这是首次报道的仅通过简单的冷冻处理（无需定向冷冻）就可以得到层状有序结构的复合海绵材料。该海绵对Co2+和Ni2+具有很强的吸附性，吸附量最大可达224 mg/g和423 mg/g。Ni2+的吸附量高于Co2+，这是因为CS上的胺基和GO片层上的羧基与Ni2+之间的络合作用高于Co2+。可以用pH2.0的稀盐酸脱附吸附在海绵上的金属离子。经过5次吸附-脱附循环后，GO-CS复合海绵对Cu2+、Co2+和Ni2+的吸附能力分别是初始吸附能力的67.53%、81.82%和80.20%，这表明CS-GO水凝胶海绵可以多次重复使用清除重金属离子和染料。.