文献综述
摘要：综述了一种制备各向异性层状纤维结构水凝胶的方法，该方法适用于相对刚性的聚合物，它们对机械信号很敏感。通过控制预拉伸或不预拉伸的干燥过程，可以调节凝胶的取向程度、超结构尺寸和超分子相互作用的强度，从而敏感地影响水凝胶的强度和韧性，使水凝胶的力学性能可与天然韧带相媲美，在生物医学方面有这深远的研究意义和应用潜力。
关键词：文献综述；受限干燥法；各向异性；纤维素水凝胶
1 研究背景和意义
天然结构材料(如肌腱和韧带)是由多尺度层次结构组成的，尺度从纳米到宏观，很难综合模拟。本实验研究一种仿生的、简单易行的制备各向异性水凝胶的方法，该方法制备的水凝胶具有与肌腱和韧带相似的完全排列的多尺度分层纤维结构。该方法适用于相对刚性的聚合物(如海藻酸盐和纤维素)，它们对机械信号很敏感。通过控制预拉伸或不预拉伸的干燥过程，可以调节凝胶的取向程度、超结构尺寸和超分子相互作用的强度，从而敏感地影响水凝胶的强度和韧性[1]。其力学性能可与天然韧带相媲美。这种具有层次结构的材料在生物医学方面有很高的应用潜力，如人工肌腱和韧带。本研究为设计具有高度有序层次结构的水凝胶提供了一种通用策略，为开发许多生物医学应用的功能仿生材料奠定基础。
2 国内外研究现状
近年来许多研究人员研究并制备了具有各向异性的水凝胶，如：向水凝胶中加入磁性材料(Fe2O3、Sr-Ba-铁酸盐等)或者对磁敏感的材料(钠基蒙脱石(MMT)等)，将其置于外加磁场后，由于磁场与磁性粒子间的相互作用以及磁性粒子与磁性粒子之间的相互作用，使得磁性粒子均匀而有序地分布，从宏观角度来看，磁性水凝胶在磁场方向表现出的弯曲、伸直等多种形变程度要强于其他方向，将此现象称为磁各向异性。在该磁凝胶中，磁性纳米粒子呈各向异性对齐排布，相较于磁性纳米粒子在凝胶中随机的无序分布，这种具有特殊结构的磁凝胶不但表现出磁各向异性，而且还具有一定的可控性[2]。通过控制磁性纳米粒子的磁热性能、大小以及形态等，使得磁各向异性凝胶在生物医学领域的应用更具有前景，如：促进蛋白质的分离、干细胞分化、酶作用的增强及增强细胞黏附等。但在实际应用中，磁场频率的选择仍是一个大的挑战。
在一定的条件下，对复合水凝胶施加一定的力，在该力的作用下，复合水凝胶内部分子发生定向排布，因此，所得水凝胶的机械强度在沿着力的方向高于其他方向，表现出很好的力学各向异性，此类水凝胶定义为力学各向异性水凝胶。Haque等[3]将十二烷基衣康酸甘油酯(DGI)聚合形成PDGI，通过在前驱体溶液中应用剪切流，将层状结构的PDGI固定在PAAm网状结构内，制备了具有单向对齐的膜状双层结构的各向异性PDGI /PAAm水凝胶。该复合水凝胶表现出很好的机械各向异性，在平行于层状方向的杨氏模量是垂直于层状方向的10倍。具体通过在平行于层状方向进行拉伸试验，以及垂直于层状方向进行压缩试验来研究凝胶的机械各向异性，结果发现原始的PAAm凝胶具有各向同性模量，添加PDGI后平行于层状方向的凝胶的弹性模量大幅度增加，而垂直于层状方向的凝胶的弹性模量变化不大，表现出明显的机械各向异性，如图1。基于以上优点，该凝胶可用于响应机械刺激的传感器。
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