多重交联海藻酸钠_聚丙烯酰胺高强度水凝胶的研究

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1、国内图书分类号：TB324密级：公开国际图书分类号：547西南交通大学研究生学位论文多重交联海藻酸钠/聚丙烯酰胺高强度水凝胶的研究年级二零一五级姓名王云浩申请学位级别工程硕士专业材料工程指导老师屈树新教授二零一八年五月ClassifiedIndex:TB324U.D.C:547SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONMULTIPLECROSSLINKEDALGINATE/POLYACRYLAMIDEHYDROGELWITHHIGHMECHANICA

2、LSTRENGTHGrade:Postgraduate2015Candidate:YunhaoWangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MaterialsEngineeringSupervisor:ProfessorShuxinQuMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要双网络水凝胶突破了传统水凝胶力学性能较低的缺点，其拉伸强度和压缩强度均可接近兆帕数量级，常被用于人工关节软骨材料的研究。其中海藻酸钙/聚丙烯酰胺双网络水

3、凝胶（Ca-SA/PAM双网络水凝胶）具有良好的韧性和力学恢复性，但作为人工膝关节软骨材料仍存在杨氏模量和压缩性能不足以及磨损量难以定量分析等问题。为解决这些问题，本论文首先利用SA可被多种金属离子交联的特点，对海藻酸钠/聚丙烯酰胺（SA/PAM）水凝胶中的SA进行交联，制得不同金属离子与SA交联的双网络水凝胶。为进一步提高不同离子与SA交联双网络水凝胶的力学性能，通过向PAM网络引入含有羧酸根的丙烯酸（AA），在PAM网络中增加与金属离子的交联位点，增加两种网络间的交联，制备出高强度的化学/物理多重交联水凝胶

4、。以人体膝关节的滑动摩擦为研究背景，模拟在步行和慢跑两种状态下多重交联水凝胶的滑动摩擦试验。最后对多重交联水凝胶进行体外生物学评价。3+3+2+2+2+以海藻酸钠（SA）和丙烯酰胺（AM）为原料，利用Fe、Al、Cu、Mn和Ca作为交联剂制备双网络水凝胶（Ca-SA/PAM、Fe-SA/PAM、Al-SA/PAM、Cu-SA/PAM和Mn-SA/PAM）。为进一步提升Fe-SA/PAM双网络水凝胶的力学性能，以SA、AM和AA3+为主要原料，首先通过热引发自由基共聚制备出SA/P(AM-co-AA)水凝胶，然后

5、通过Fe与SA/P(AM-co-AA)水凝胶中的SA和P(AM-co-AA)同时进行物理交联，制备出AA比例分别为AM用量的0、5、10、15和20mol%的五种高强度化学/物理多重交联水凝胶：Fe-SA/PAM、Fe-SA/P(AM-co-5%AA)、Fe-SA/P(AM-co-10%AA)、Fe-SA/P(AM-co-15%AA)和Fe-SA/P(AM-co-20%AA)。采用万能力学试验机、傅里叶红外光谱仪（FTIR）和原子吸收分光光度计（AAS）等仪器表征双网络水凝胶的理化性能；利用扫描电镜（SEM）观

6、察双网络水凝胶的断面形貌。双网络水凝胶溶胀性能测试表明Mn-SA/PAM、Ca-SA/PAM、Cu-SA/PAM、Al-SA/PAM和Fe-SA/PAM五种双网络水凝胶的交联度大小依次递增。力学性能结果表63明Fe-SA/PAM双网络水凝胶在拉伸强度（0.98MPa）、韧性（5.8×10J/m）、杨氏模量（2.72MPa）、断裂能（380J/m）和压缩强度（3.2MPa）等方面均优于其余四种水凝胶，表现出―硬而韧‖的特性。但Fe-SA/PAM双网络水凝胶的杨氏模量和压缩强度等仍未达到人体膝关节软骨的水平（如杨氏

7、模量：9.6MPa；最大接触压力：7.5MPa）。西南交通大学硕士研究生学位论文第II页多重交联水凝胶的溶胀性能测试表明Fe-SA/PAM、Fe-SA/P(AM-co-5%AA)、Fe-SA/P(AM-co-10%AA)、Fe-SA/P(AM-co-15%AA)和Fe-SA/P(AM-co-20%AA)五种多重交联水凝胶的交联度依次递增。力学性能结果表明Fe-SA/P(AM-co-10%AA)多重交联水凝胶在63具有一定刚性（杨氏模量为9.9MPa）的同时又不失韧性（3.8×10J/m），并且在压缩形变为90%

8、、压缩强度为16.7MPa时，仍具有完好的形态；在两次加载-卸载过程中表现出高效的能量耗散并且具有良好的力学恢复性。在五种多重交联水凝胶中，Fe-SA/P(AM-co-10%AA)多重交联水凝胶的力学性能最为接近人体膝关节软骨的力学强度。采用往复式滑动摩擦试验机研究Fe-SA/P(AM-co-10%AA)多重交联水凝胶的摩擦系数和磨损量；参照人体在步行和慢跑中的负载、速度和步频等数据，