基于聚乙烯醇稳定剂的CO2/H2O高内相乳液模板法制备多孔材料及其应用

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传统的高内相乳液(HIPE)聚合,需要使用大量的挥发性有机溶剂,这些有机溶剂不仅很难从产物中完全除去,还会导致环境问题。如使用无毒、不易燃烧、资源丰富的CO2代替有机溶剂制备高内相乳液,则可解决上述问题。但CO2的溶解能力有限,要成功制备稳定的CO2/H2O(C/W)乳液,关键在于高效的稳定剂的合成。目前,大部分亲CO2的稳定剂不仅价格昂贵,而且合成路线复杂,提纯困难,降低了CO2/H2O乳液聚合的经济性和环境友好性。本文使用含有聚醋酸乙烯酯(PVAc)基团的商业化聚乙烯醇(PVA)作为稳定剂,成功地制备了一系列的CO2/H2O高内相乳液,并且合成了PVA、聚丙烯酰胺(PAM)、PVA-壳聚糖和PVA-海藻酸钠大孔材料。全文主要包括以下内容:(1)综述了近年来亲CO2聚合物的研究进展及其应用。(2)无规PVAc-PVA聚合物及C/W乳液的制备。研究了低分子量的PVAc(Mw≈3000 g/mol)醇解改性和商业PVA酯化改性后的乳化性能。同时发现,未经改性的PVA自身具有很强的乳化能力。以商品化PVA为稳定剂制备的C/W乳液,即使在高温(80℃)下,也具有一定的稳定性。(3)C/W乳液中制备PVA水凝胶及其作为支撑材料在细胞培养方面的应用。在不额外加入稳定剂的条件下,利用高内相CO2/H2O乳液模板聚合的方法制备获得了孔道互相连通,孔径大小可以调控(5.52-21.07μm)的PVA大孔乳液模板材料,制备过程方便、经济、可扩展、环境友好。此外,在PVA多孔材料中成功地培养了人胚肺成纤维细胞和H9c2心肌细胞,两种细胞均可以生长和增殖,证明该材料可以应用于组织工程材料。(4)C/W乳液模板法制备聚丙烯酰胺(PAM)多孔材料及其在组织工程上的应用。使用部分水解的商业化PVA作为稳定剂,利用高内相CO2/H2O乳液模板聚合制备了孔道相互连通,孔径可调的PAM大孔材料。此外,考察了稳定剂浓度、PVA分子量、引发体系等因素对孔结构的影响。当稳定剂浓度增加,可以获得孔径更小的多孔材料。PVA分子量对材料孔结构的影响则要从体系粘度和PVA与CO2相互作用力两个方面综合考虑。使用氧化还原引发体系,可以在较低的温度和压力下获得孔径更小的多孔材料。在PAM多孔材料中成功培养了H9c2心肌细胞,细胞可以在材料上生长和增殖,证明材料具有良好的生物相容性,也证明了借助3D打印技术制造人造器官的可行性。(5)C/W乳液模板法制备PVA复合多孔材料。使用上述方法还制备了PVA-壳聚糖和PVA-海藻酸钠两种复合大孔材料。PVA-壳聚糖大孔材料密度低,孔径不规则、塌陷,但是非常适合细胞的增长,H9c2心肌细胞在材料表面表现出了良好的粘附和增殖能力;PVA-壳聚糖材料具有良好的降解性能。对于PVA-海藻酸钠复合材料,海藻酸钠和聚乙烯醇的比例和氯化钙水溶液的添加顺序对孔径大小有关;同时海藻酸钠的加入,降低了样品的吸水率,提高了复合材料的机械性能。
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