聚吡咯导电水凝胶的制备及其生物医学应用研究

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导电复合水凝胶由于兼具水凝胶独特的物理化学性质和本征导电高分子的电学性质,是生物医用材料领域的研究热点之一,有广泛应用于组织工程材料、人造皮肤、生物电子、可穿戴传感器等的潜能。通常是将导电相如金属纳米粒子、离子液体、碳纳米管、石墨烯和导电高分子等材料引入水凝胶三维网络中,制备导电水凝胶材料。但是,像石墨烯和碳纳米管(CNTs)这种导电成分由于其自聚合、难分散、形貌不可控等固有缺点,严重限制了导电复合水凝胶的进一步发展。近年来,导电高分子(CPs)材料如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)等,以其独特的性质如价格便宜、易加工性、电学性质稳定、刺激响应性和良好的生物相容性等,成为导电相的热门候选材料。其中,以聚吡咯在生物医用材料领域研究最为热门。但是,聚吡咯是刚性疏水聚合物链,在水中易扭曲团聚,需对其进行改性后引入水凝胶体系内,否则会影响导电复合水凝胶的理化性质。因此,制备满足生物医用材料性能要求的导电高分子水凝胶CPHs材料,是开拓其在生物医学领域应用的关键。本研究首先采用经多巴胺改性制备的聚吡咯纳米纤维材料与甲基丙烯酸酐化明胶共混制备纳米复合聚吡咯导电水凝胶(NPCHs),并通过体外细胞实验研究其生物相容性及其促成血管作用。进一步地,采用原位氧化聚合的方法制备具有连续聚吡咯导电网络的弹性导电复合水凝胶,该水凝胶材料具有良好的电学性能、弹性力学性质和生物相容性,并通过压力或形变敏感性测试验证其作为可穿戴应变传感器的效果。本论文主要研究内容包括以下两个方面:1.纳米复合聚吡咯导电水凝胶的共混制备及其促成血管作用研究首先通过无模板法制备多巴胺(DA)改性的聚吡咯纳米材料,选择多巴胺/吡咯的摩尔比为0.032时,聚吡咯呈现纳米纤维结构,且其分散性良好和电导率高达1.0 S/cm;将其与甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)共混交联制备纳米复合聚吡咯导电水凝胶,制备的该水凝胶成分均匀、电学性质稳定,通过材料表面细胞培养,证实复合聚吡咯后的导电水凝胶对细胞黏附铺展和增殖行为有调控作用,并研究了其在正常培养条件下的促成血管作用,为导电高分子水凝胶作为组织修复材料提供科学依据。2.弹性导电复合水凝胶的原位氧化制备及其传感器应用研究本研究采用原位氧化聚合的方法,采用多巴胺作为掺杂剂和介导剂,调控聚吡咯在明胶甲基丙烯酸酯-聚丙烯酰胺(PAM)双网络弹性水凝胶多孔骨架内有序生长,制备出一种具有连续聚吡咯导电网络的弹性导电复合水凝胶(ECHs)。该复合水凝胶很好地保留了水凝胶本体的三维多孔结构和弹性性质,连续导电相又赋予其优异的电学性质。通过循环压缩力学测试证实该水凝胶具备良好的弹性力学性能且表现出压电响应功能,其电导率为7.07?10-4 S/cm,电化学稳定性好,高的压力和形变敏感性,快速刺激响应性(410 ms),和优异的生物相容性,是作为可穿戴形变传感器的理想选择之一。
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