铁配合物对明胶水凝胶电响应性能的提升作用

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在外界刺激源的存在下,智能水凝胶材料自身的理化性质能够发生改变。这种外界刺激源可以是物理刺激,如光、电、磁、热,也可以是化学刺激,如pH、离子浓度等。对外界电场刺激做出一定响应的智能水凝胶称之为电响应水凝胶。比如天然多肽链构成的明胶,其成胶性能及生物相容性良好,且具有一定的电响应性能。为了进一步提升明胶水凝胶在电场中的响应性能,本论文将水溶性良好的三种铁配合物:乙二胺四乙酸钠铁(Sodium ferric ethylenediaminetetraacetate,EDTA-Fe)、葡萄糖酸钠铁(Sodium ferric gluconate,SG-Fe)及壳寡糖铁(Chitooligosaccharides-ferric,COS-Fe)分别引入明胶中,在提升明胶电响应性能的同时,还作为一种物理交联剂促进了明胶多肽链的交联,形成了均相的、具有良好生物相容性的EDTA-Fe/明胶、SG-Fe/明胶及COS-Fe/明胶电响应水凝胶。其中,对通过外加直流电场(E=0,0.4,0.8 kV/mm)制备得到的水凝胶命名为A-水凝胶,对未施加电场制备而得的水凝胶命名为B-水凝胶。研究过程中首先用紫外可见分光光度计(UV-Vis)、红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)以及热重分析仪(TGA)对三种铁配合物的结构进行了表征;其次使用FT-IR分析了每种铁配合物与明胶的作用机理;通过动态黏弹谱仪(DMA)得到了复合水凝胶的压缩储能模量GA,GB,在此基础之上引入了储能模量变化值(ΔG=GA-GB)以及储能模量变化率(ΔG/GB)更直观地反映水凝胶的电响应性能;通过扫描电镜(SEM)与TGA分析了三种复合水凝胶对电场的响应机理。具体讨论结果如下:一、成功制备了 SG-Fe以及COS-Fe两种配合物。同时对EDTA-Fe,SG-Fe,COS-Fe三种配合物进行了UV-Vis、FT-IR、XRD以及TGA测试,结果均与相关文献结论相吻合,因此可用于制备复合水凝胶。二、以天然多肽明胶为原料,将三种铁配合物分别引入,(按照铁配合物与明胶质量比:kEDTA-Fe、kSG-Fe 以及 kCOS-Fe 均为 0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06),在不同电场强度(E=0,0.4,0.8 kV/mm)下制备得到了对应的A,B复合水凝胶。DMA测试结果显示:随着铁配合物浓度的增加,其对应的复合水凝胶的G、ΔG和ΔG/GB均为先增大后减小。当E=0.8 kV/mm时:EDTA-Fe/明胶水凝胶在kEDTA-Fe=0.04时具有最佳响应性能,达到纯明胶水凝胶的2.3倍;SG-Fe/明胶水凝胶在kSG-Fe=0.03时有最佳响应性能,达到纯明胶水凝胶的2.2倍;COS-Fe/明胶水凝胶在kCOS-Fe=0.03具有最佳响应性能,达到纯明胶水凝胶的1.3倍。三种GA均高于GB,这说明三种复合水凝胶对电场都具有正响应。三、通过热重分析确定了 EDTA-Fe,SG-Fe,COS-Fe的含铁量,同时引入六水合氯化铁进行对照实验,制备得到了四种含铁量相同的复合水凝胶。DMA的测试结果表明:四种复合水凝胶对外加电场均具有正响应,响应性能大小顺序依次为:EDTA-Fe/明胶>SG-Fe/明胶水凝胶>COS-Fe/明胶水凝胶>Fe(Ⅲ)/明胶复合水凝胶。说明配体的较小空间位阻、配合物与明胶分子之间的物理交联作用更有利于明胶多肽链在电场作用下进行取向极化运动,从而更有效地提升了明胶的电响应性能。
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