纤维素基新型水凝胶制备与应用

近年来，水凝胶因具有含水量高、柔韧性好、黏弹性高以及独特的刺激响应特性等优势受到了广泛关注。合成聚合物的大规模使用既不符合绿色、可持续发展理念，也会因潜在的毒性而限制其在生物、医药等领域的应用，但利用生物质天然高分子代替合成高分子制备水凝胶有望解决上述问题。 
纤维素作为世界上储量最丰富的生物质天然高分子材料之一，除了具备可再生、廉价、环境友好、生物可降解等天然高分子固有的优势外，还具有表面羟基多、易于化学改性等优势。基于此，纤维素基水凝胶得到了大量的开发和应用。 
本书着眼于当前纤维素基水凝胶的研究热点，从纤维素基可吸附水凝胶、纤维素基自修复水凝胶及纤维素基可注射水凝胶三个方面重点介绍纤维素基水凝胶的制备和应用。此书主要针对纤维素基水凝胶材料，对从事纤维素基水凝胶材料的研究者具有重要参考价值。 
从事纤维素基水凝胶材料的研究者在阅读本书时，可以根据自己的研究领域首先重点阅读与自己研究方向相符的部分，以快速了解该领域研究前沿性工作；其次，与自己研究领域不相符的部分，则可以作为知识性阅读，毕竟研究思路都是相通的，往往好的研究方向都是从其他研究领域获得的灵感。 
本书由付时雨、刘小红、沈娟莉、汪颖等共同编写而成。本书加入了博士刘小红、肖桂法以及周益明博士毕业论文相关内容。通过课题组做的与纤维素基水凝胶相关的工作，能够帮助广大读者更加深刻地了解纤维素基水凝胶的制备过程和应用价值。 
最后，感谢本书的编写人员对本书的付出，感谢化学工业出版社的编辑对本书修改提出的宝贵意见。 
限于作者水平，书中不妥之处，敬请读者批评指正。 

作者 
2023.5 

本书着眼于当前纤维素基水凝胶的研究热点，绪论部分对纤维素及纤维素基水凝胶的性质等做了较为详细的介绍，正文则分别从纤维素基可吸附水凝胶、纤维素基自修复水凝胶及纤维素基可注射水凝胶三个方面重点介绍纤维素基水凝胶的制备和应用。总结了纤维素基水凝胶方面取得的最新成果。此书对从事纤维素基水凝胶材料的研究者具有重要参考价值。

付时雨，博士，华南理工大学/轻工科学与工程学院教授，近年来分别申请到“纤维素基近红外刺激响应可注射载药水凝胶的研究“提升纤维素基绿色自修复水凝胶强度和响应速度的关键问题研究”的广东省自然科学基金或面上项目。在纤维素基可注射水凝胶、纤维素基自修复水凝胶及纤维素基吸附水凝胶方面取得了一系列进展。

1绪论 1 
1.1 纤维素概述 1 
1.2 纤维素衍生物 2 
1.3 纳米纤维素 3 
1.4 纤维素基水凝胶 5 

2纤维素基可吸附水凝胶 7 
2.1 纤维素基可吸附水凝胶的制备 8 
2.1.1 纤维素基可吸附水凝胶物理交联 8 
2.1.2 纤维素基可吸附水凝胶化学交联 13 
2.2 纤维素基可吸附水凝胶的应用 18 
2.2.1 污染物吸附 18 
2.2.2 水油分离 20 
2.2.3 药物缓释 20 

3纤维素基自修复水凝胶 22 
3.1 纤维素基自修复水凝胶的制备 23 
3.1.1 物理交联纤维素基自修复水凝胶 24 
3.1.2 化学交联纤维素基自修复水凝胶 29 
3.2 纤维素基自修复水凝胶的应用 36 
3.2.1 在刺激响应性方面的应用 36 
3.2.2 在电子器件方面的应用 39 

4纤维素基可注射水凝胶 42 
4.1 纤维素基可注射水凝胶的制备 43 
4.1.1 纤维素基可注射水凝胶形成方式 43 
4.1.2 反应类型 46 
4.2 纤维素基可注射水凝胶的应用 53 
4.2.1 在药物输送方面的应用 53 
4.2.2 在组织工程方面的应用 54 
4.2.3 在创伤修复方面的应用 57 

5纤维素基水凝胶染料吸附行为的研究 59 
5.1 实验过程 60 
5.1.1 材料 60 
5.1.2 C-g-AA水凝胶的合成 61 
5.1.3 C-g-AA水凝胶的表征 61 
5.2 结果与讨论 64 
5.2.1 C-g-AA水凝胶的制备 64 
5.2.2 FTIR分析 65 
5.2.3 不同溶液介质中C-g-AA水凝胶溶胀行为分析 66 
5.2.4 C-g-AA水凝胶对MB的吸附行为研究 72 

6纳米纤维素酰腙自修复水凝胶的制备与性能研究 78 
6.1 实验过程 79 
6.1.1 实验原料 79 
6.1.2 纤维素纳米晶体及双醛纤维素纳米晶体的制备 80 
6.1.3 酰肼封端聚乙二醇的制备 81 
6.1.4 水凝胶的制备 82 
6.1.5 水凝胶的力学性能测试 83 
6.1.6 水凝胶的自修复性能测试 83 
6.1.7 水凝胶的生物相容性测试 84 
6.1.8 表征 85 
6.2 结果与讨论 86 
6.2.1 凝胶因子DACNCs和HZ-PEG-HZ的制备 86 
6.2.2 pH和凝胶因子浓度调控下水凝胶的制备 90 
6.2.3 水凝胶的力学性能 94 
6.2.4 水凝胶的自修复性能 96 
6.2.5 水凝胶的生物相容性 99 
6.2.6 水凝胶形成及自修复机理分析 99 

7纳米纤维素自修复和形状记忆导电水凝胶制备及其应变传感性能 103 
7.1 实验过程 104 
7.1.1 实验原料 104 
7.1.2 CNCs接枝4-ABA  104 
7.1.3 水凝胶的制备 105 
7.1.4 水凝胶的力学性能测试 105 
7.1.5 水凝胶自修复测试 106 
7.1.6 水凝胶形状记忆测试 106 
7.1.7 水凝胶导电性能及应变传感测试 106 
7.1.8 水凝胶生物相容性测试 107 
7.1.9 表征 107 
7.2 结果与讨论 108 
7.2.1 CNCs-ABA的制备及其对MWCNTs的分散稳定作用 108 
7.2.2 水凝胶的制备及其力学性能 111 
7.2.3 水凝胶的快速自修复性能 114 
7.2.4 水凝胶的形状记忆性能 116 
7.2.5 水凝胶的导电及应变传感性能 118 
7.2.6 水凝胶的生物相容性 122 
7.2.7 水凝胶的自修复和形状记忆兼容性机理分析 123 

8纤维素基热响应可注射载药水凝胶的研究 125 
8.1 实验过程 126 
8.1.1 实验原料 126 
8.1.2 MCC的溶解 127 
8.1.3 cellulose-IBBr的合成 127 
8.1.4 cellulose-g-PNIPAAm的制备 127 
8.1.5 MCC聚合度的测定 128 
8.1.6 cellulose-g-PNIPAAm的CMT和CMC测量 128 
8.1.7 cellulose-g-PNIPAAm可注射热响应水凝胶的溶胶-凝胶转换 129 
8.1.8 cellulose-g-PNIPAAm 可注射热响应水凝胶体外释放DOX的研究 129 
8.1.9 cellulose-g-PNIPAAm 可注射热响应水凝胶的生物相容性测试 130 
8.1.10 表征 131 
8.2 结果与讨论 133 
8.2.1 cellulose-IBBr及cellulose-g-PNIPAAm的合成 133 
8.2.2 cellulose-g-PNIPAAm的热性能分析 136 
8.2.3 cellulose-g-PNIPAAm的自组装行为 137 
8.2.4 cellulose-g-PNIPAAm可注射水凝胶的溶胶-凝胶相转变行为 139 
8.2.5 cellulose-g-PNIPAAm可注射水凝胶的形貌 140 
8.2.6 cellulose-g-PNIPAAm可注射水凝胶的力学性能 140 
8.2.7 DOX在cellulose-g-PNIPAAm 可注射水凝胶中的体外释放 141 
8.2.8 cellulose-g-PNIPAAm可注射水凝胶的细胞相容性研究 142 
8.2.9 cellulose-g-PNIPAAm可注射水凝胶成胶和载药机理分析 143 

参考文献 146

本书着眼于当前纤维素基水凝胶的研究热点，绪论部分对纤维素及纤维素基水凝胶的性质等做了较为详细的介绍，正文则分别从纤维素基可吸附水凝胶、纤维素基自修复水凝胶及纤维素基可注射水凝胶三个方面重点介绍纤维素基水凝胶的制备和应用。总结了纤维素基水凝胶方面取得的最新成果。此书对从事纤维素基水凝胶材料的研究者具有重要参考价值。

付时雨，博士，华南理工大学/轻工科学与工程学院教授，近年来分别申请到“纤维素基近红外刺激响应可注射载药水凝胶的研究“提升纤维素基绿色自修复水凝胶强度和响应速度的关键问题研究”的广东省自然科学基金或面上项目。在纤维素基可注射水凝胶、纤维素基自修复水凝胶及纤维素基吸附水凝胶方面取得了一系列进展。