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【科技前沿】防污型复合水凝胶原来如此神奇

来源:DT-Polymer    发布时间:2018-09-13 20:55:24


DT导读

固体材料表面蛋白质的吸附、细胞及其他微生物的粘附会造成严重的生物污染,给生物医药领域、水净化处理、船舶、纺织品等工业领域造成重大危害。每年因生物污染造成的经济损失高达上百亿美元。


水凝胶是一类以化学键或者物理交联作用形成的高度亲水聚合物,兼具固体的稳定性和液体的流动性,可以高效抑制污损生物黏附,同时具有低毒、生物相容性好等优点,是一类绿色防污材料。但是传统的水凝胶机械力学性能差和功能单一等缺点极大地限制了水凝胶的实际应用。因而构建多种防污机制协同作用的复合型高力学强度水凝胶具有重要的意义。 


中国科学院宁波材料所海洋功能材料团队长期致力于复合型防污水凝胶材料研究。以复合化和功能化为导向,通过有机无机复合策略构筑了多种新型复合防污水凝胶。通过双网络策略,在两性聚电解质水凝胶网络中引入聚丙烯酰胺第二重网络,构建了一类两性聚电解质/聚丙烯酰胺双网络水凝胶(图一),机械力学性能提高了5-10倍,带不同电荷的双网络水凝胶对细菌和藻类表现出选择性抑制作用(RSC Adv., 2016, 6, 4734)。


通过有机无机复合策略,将季铵盐化的超支化聚乙烯亚胺纳米粒子引入HEMA水凝胶体系中构建了一类新型纳米复合水凝胶,其断裂拉升强度比HEMA水凝胶提高了3倍,季铵盐化超支化聚乙烯亚胺纳米粒子的引入使得纳米复合水凝胶表现出了优异的抗菌、抗藻防污性能(RSC Adv., 2016, 6, 60530)。



图一:A) 双网络水凝胶的制备示意图;B) 牛血清蛋白(BSA)在水凝胶表面黏附量;C) 海藻在水凝胶表面的黏附量;


在此研究基础上,通过在水凝胶骨架上修饰聚硫醚树枝状官能团构筑了水凝胶/纳米银纳米复合材料(图二),硫醚键和银离子之间的强螯合作用使得水凝胶的载银量提高了将近30倍;螯合作用以及水凝胶的包裹作用有效地稳定了纳米银,通过调控硫醚官能团可以有效调控纳米银尺寸(10-25 nm),小尺寸纳米银赋予了水凝胶优异的抗菌、抗藻防污性能,同时纳米银的缓释极大延长了这类复合材料的防污时效(Polym. Chem., 2015, 6, 625; Colloid Polym Sci., 2016, 294,2021-2028)。


进一步研究发现,纳米银和硫醚键之间的动态配位作用赋予了这类水凝胶很好的自修复性能(New J. Chem., 2016, DOI 10.1007/s00396-016-3967-7)。



图二:A)树枝状水凝胶/纳米银复合水凝胶的制备示意图;B) 水凝胶的载银行为;C)海藻在复合水凝胶表面的黏附状态;D) 复合水凝胶抗菌行为;


最近,将上述发展的纳米银/水凝胶体系与低表面能有机硅弹性体有机结合起来,构筑了一种新型的硅水凝胶/纳米银复合防污涂层(图三),二者形成了互穿网络结构,对海草、藤壶和水螅等污损生物具有明显的抑制吸附作用, 1号样品(对照样)实海挂片3个月后表面有大量的海草附着,6个月后藤壶附着量明显增加;5号样品(硅水凝胶/纳米银复合涂层)表面几乎没有海草、藤壶等污损生物附着,因而具有很好的应用前景。



图三:有机硅水凝胶/纳米银复合防污涂层实海挂片图


以上研究工作得到了国家重点基础研究发展973计划(2014CB643305)、浙江省创新团队(2011R50006)和国家自然科学基金(5160321)等项目的资助。 


主要内容来自中科院宁波材料所官网

原文题目《宁波材料所在防污型复合水凝胶方面取得重要进展》            



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