本文關(guān)鍵詞：響應(yīng)性水凝膠功能器件的光聚合制備與特性研究

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【摘要】：響應(yīng)性水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)的親水聚合物,在p H、溫度、光等外界環(huán)境刺激下能夠發(fā)生獨(dú)特的響應(yīng)性溶脹行為,由于其具有良好的親水性、生物相容性以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)基于響應(yīng)性水凝膠材料的各種功能性器件在生物醫(yī)學(xué)、組織工程、微光學(xué)及智能微機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。依據(jù)目前的研究進(jìn)展,基于水凝膠器件的性質(zhì),包括響應(yīng)速度、運(yùn)動(dòng)取向及應(yīng)用拓展都有長(zhǎng)足進(jìn)步。除宏觀器件,基于水凝膠材料的微納器件,特別是具有三維可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的微納器件,有望在介入微創(chuàng)、成骨支架、三維細(xì)胞培植、藥物緩釋等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。對(duì)比于現(xiàn)有的微納制備技術(shù),飛秒激光直寫具有可設(shè)計(jì)、高精度、能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn),并且在加工過(guò)程中能靈活分步加工及原位集成加工,用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣化的水凝膠功能微器件的構(gòu)建具有優(yōu)勢(shì)。面向提升宏觀水凝膠基器件性質(zhì),包括實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、可控取向及多樣化驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,和探索微納水凝膠器件的可控制備、環(huán)境響應(yīng)、集成及在信息傳遞、光學(xué)探測(cè)、生物模擬等領(lǐng)域潛在應(yīng)用,本文開(kāi)展了紫外光刻的方法制備宏觀尺度響應(yīng)性水凝膠功能器件,并對(duì)器件的性能及應(yīng)用進(jìn)行研究;通過(guò)飛秒激光直寫加工方法制備出溶脹性能可調(diào)的微觀結(jié)構(gòu);并且通過(guò)兩步直寫加工方法,我們實(shí)現(xiàn)了水凝膠材料同丙烯酸酯類材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備;將能動(dòng)態(tài)調(diào)焦的水凝膠微透鏡集成入具有對(duì)稱雙通道的芯片中,首次真正的實(shí)現(xiàn)了光流微流集成。主要成果具體如下:1.制備了具有快速靈敏響應(yīng)性的水凝膠薄膜致動(dòng)器。以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)為主體通過(guò)紫外光聚合制備水凝膠薄膜,薄膜對(duì)周圍環(huán)境相對(duì)濕度變化具有靈敏的響應(yīng)性。在濕度梯度下,薄膜會(huì)自發(fā)形變運(yùn)動(dòng),并且對(duì)生理濕度具有快速響應(yīng)。薄膜中羅丹明B的引入使其在不同相對(duì)濕度下呈現(xiàn)不同程度的粉紅色,這一性質(zhì)使薄膜具有對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)和指示功能。對(duì)多種揮發(fā)性極性有機(jī)溶劑的響應(yīng)形變能力拓寬了薄膜的應(yīng)用范圍。我們還制備了具有高濕度靈敏性和良好機(jī)械性能的明膠水凝膠薄膜,將明膠薄膜同PVDF壓電薄膜結(jié)合,通過(guò)濕度驅(qū)動(dòng)明膠薄膜的形變帶動(dòng)壓電薄膜形變產(chǎn)生壓電信號(hào),使其可作為一種水分蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的壓電發(fā)電機(jī)。2.針對(duì)水凝膠的溶脹為各項(xiàng)同性,不能實(shí)現(xiàn)可控各向異性形變的問(wèn)題,引入互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水凝膠薄膜濕度驅(qū)動(dòng)下的可控取向形變。在光聚合PEG-DA水凝膠薄膜的基礎(chǔ)上,通過(guò)第二次紫外光刻的方法在薄膜內(nèi)引入剛性PEG-DA/PMMA互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。掩膜光刻使含互穿網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域同不含互穿網(wǎng)絡(luò)區(qū)域按照光柵條紋排列,在水凝膠薄膜吸水過(guò)程中,互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)條紋能夠限制水凝膠溶脹實(shí)現(xiàn)定向的卷曲形變。利用這種可控取向形變的水凝膠片,我們制備了在濕氣驅(qū)動(dòng)下能夠自動(dòng)卷起與展開(kāi)的窗簾結(jié)構(gòu),以及高濕度下自動(dòng)斷電的安全開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定工作,具有良好性能。3.基于飛秒激光直寫的微納3D打印實(shí)現(xiàn)水凝膠微納器件的制備。水凝膠微結(jié)構(gòu)在濕潤(rùn)環(huán)境下吸水溶脹,我們研究了直寫加工參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)溶脹能力的影響。通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)使微結(jié)構(gòu)具有合適的溶脹能力,成功設(shè)計(jì)并制備出可實(shí)現(xiàn)納米互聯(lián)功能的微結(jié)構(gòu)陣列及仿植物氣孔微結(jié)構(gòu)。利用兩步飛秒激光直寫加工方法,實(shí)現(xiàn)了PEG-DA水凝膠同丙烯酸酯類材料的結(jié)合,制備的二進(jìn)制編碼復(fù)合微柱陣列可用于信息存儲(chǔ)及傳遞等。4.飛秒激光直寫制備動(dòng)態(tài)可調(diào)焦的PEG-DA水凝膠微透鏡。利用PEG-DA水凝膠對(duì)環(huán)境溶液中Cl-濃度的響應(yīng)性制備動(dòng)態(tài)可調(diào)焦水凝膠微透鏡,通過(guò)改變環(huán)境溶液中的Cl-濃度,水凝膠微透鏡發(fā)生可逆的溶脹和收縮,能夠改變微透鏡的焦距,實(shí)現(xiàn)對(duì)距微透鏡不同距離微結(jié)構(gòu)的成像。通過(guò)紫外光刻方法制備具有對(duì)稱通道結(jié)構(gòu)的光流微流孿生通道芯片,將水凝膠微透鏡原位集成入光流微流孿生通道芯片的光流通道內(nèi),對(duì)微流通道內(nèi)粒子和細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)成像,首次實(shí)現(xiàn)了光流微流集成。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O648.17;O484;TN249

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