NML研究文章 | 水凝胶力学性能提升途径:细菌纤维素/氧化石墨烯的层-层自组装

Layer-by-Layer Assembled Bacterial Cellulose/Graphene Oxide Hydrogels with Extremely Enhanced Mechanical Properties

Honglin Luo, Jiaojiao Dong, Fanglian Yao, Zhiwei Yang, Wei Li, Jie Wang, Xinhua Xu, Jian Hu, Yizao Wan

Nano-Micro Lett. (2018) 10:42

DOI: 10.1007/s40820-018-0195-3


本文亮点

1   提出了一种层-层自组装方法改进传统的原位静态培养法。

2   此自组装方法保证氧化石墨烯(GO)在细菌纤维素(BC)框架内的均匀分布,并可获得结构均匀的厚度大的BC/GO水凝胶。

3   相比纯BC水凝胶,BC/GO水凝胶的力学性能显著提高。


内容简介

纳米碳材料具有大比表面积、高孔隙率、优异力学性能、良好的生物相容性等优点,在组织工程和可再生医学等领域具有良好的应用前景。氧化石墨烯(GO)等二维材料在聚合物基体中的均匀分散是制约其性能发挥的难点之一。

华东交通大学万怡灶教授等人利用一种新颖的层-层自组装方法,以一维细菌纤维素纳米纤维组成的三维框架为基体,将二维GO均匀分散在此框架中,得到了复杂纳米结构的BC/GO复合水凝胶。

在该水凝胶中,GO通过氢键固定在BC纳米纤维框架内,形成叶脉状、多维复合连通结构,显著提高了水凝胶的力学性能(强度和模量分别提高了2.9和3.6倍)。

这种通用、简单、批量化的制备方法,在高性能BC基纳米复合材料水凝胶开发方面具有良好的前景。


图文导读

1  BC/GO纳米复合材料水凝胶的制备

在层-层自组装之前,通过传统的静态培养方法制备基膜(BC0膜),并将该BC0基膜置于容器中。层-层自组装方法包括多次循环,每个循环有两个连续的步骤。

第一步是将含有GO的培养基(水性悬浮液,约0.5 mL)液滴喷洒到BC0基膜的表面上,使得层-层自组装过程(即生物合成,第二步)开始,通过无菌氧气的作用在基膜表面上生长BC/GO膜(厚度约为0.2-0.4 mm)。

第二个循环中,生成的BC/GO膜作为新的基膜,第二个BC/GO膜通过生物合成生长(厚度与第一个BC/GO膜相同)。重复这些循环直至达到预期的水凝胶厚度(拉伸测试:约2 mm,形态分析:约5 mm)。

2  BC/GO纳米复合材料水凝胶的结构

c-BC/GO的照片清晰地显示该样品上有一个无GO的薄层,这表明原位生物合成的c-BC/GO复合物的最大厚度约为2 mm。这可能是由于发酵过程中培养基中GO含量的逐渐减少,但其确切机理尚不清楚。

相反,均匀的黑色BC/GO-2水凝胶的厚度为3 mm甚至7 mm,这表明层-层自组装方法可以产生GO均匀分布的BC/GO水凝胶。典型的BC三维多孔互连纳米结构显示,层-层自组装过程不会影响生成的BC形态。

SEM图像显示,BC/GO-1,BC/GO-2和BC/GO-3中的GO均匀分布在BC网络中。TEM图像进一步验证了BC/GO纳米复合材料的网状缠结结构。

3   BC/GO纳米复合材料水凝胶的力学性能

典型的拉伸应力-应变曲线显示,随着GO含量的增加,峰值负荷呈上升趋势,断裂应变呈下降趋势。BC/GO纳米复合材料水凝胶的拉伸强度和模量明显优于BC,且其提升程度取决于GO含量。

4   BC/GO纳米复合材料水凝胶的强化机制

通过层-层自组装方法生成的BC/GO水凝胶性能的提高可归结于以下因素:首先,如FTIR图谱显示,BC和GO之间形成的氢键确保了一维和二维组分之间的紧密结合。

其次,层-层培养模式改善了二维GO纳米片在三维BC基质中的扩散。最后,层-层培养模式促进了一维BC纳米纤维对二维GO纳米片的机械捆绑,从而形成叶脉状结构。

强氢键,紧密的机械捆扎和均匀分布是机械性能大幅提升的原因。


作者简介

主要研究方向:

生物医用材料;复合材料;金属材料与热处理。


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