真空冷凍幹燥是一種環境友好、經濟高效的製備通孔先進材料的成型方法,采用真空冷凍幹燥技術高效可控地構築多孔結構材料備受關注。近年來采用真空冷凍幹燥法製備出的聚合物基新型材料,在生物醫藥、吸附分離、導電材料等不同功能材料領域展現出廣闊的應用前景。
在組織工程和醫藥方麵的應用
在組織工程中,支架對控製和促進細胞或者組織的生長起著重要的作用,目前通過凍幹技術構築可生物降解聚合物支架是醫用材料研究領域的熱點之一。這種方法解決了自體或異體組織、生物替代品治療帶來的許多問題。
自1999年通過凍幹法製備了可以用作生物支架多孔的殼聚糖材料後,利用冷凍幹燥法製備生物支架備受關注。先後製備了形貌可調控的聚乙烯醇(PVA)支架,該生物支架不僅有優異的力學性質,高孔隙率以及高比表麵積,而且還可以用於輸送和控製藥物的釋放。明膠是類似於膠原蛋白的天然聚合物,常用於藥物運輸、傷口包紮和組織工程支架。天津大學通過乳液冷凍幹燥法製備了有微觀取向的明膠支架,同時體外細胞培養結果表明,明膠支架具有良好的生物相容性,有益於細胞附著和生長,可以用於組織工程的取向多孔支架。另外,探究利用凍幹的瓊脂糖作為神經係統支架,支架由於沒有有機溶劑存在,在生理條件下穩定、沒有化學交聯,因此可以刺激蛋白質的擴散生長而且將會用於檢測其在脊髓受傷後軸突的可再生能力。此外,該方法還可以製備多孔聚(L-乳酸)類的支架。
通過乳化/ 冷凍幹燥製備中空聚苯乙烯微粒以及該微粒用作封裝的示意圖
凍幹的聚合物多孔材料除了作為生物支架外,在醫藥方麵也用廣泛的應用。將PS乳液在液氮中冷凍幹燥後得到中空的PS微球,如圖所示。將水溶性有色染料裝入PS中空微球中形成微膠囊,染料能夠在微膠囊中穩定存在較長時間,顯示了乳液凍幹技術製備的中空微球在控製藥物釋放方麵的應用前景。用水包油乳狀液作為模板凍幹法製備了高效連通的多孔交聯型聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。當溫度低於低臨界溶解溫度(LCST)時,多孔PNIPAM溶脹,在LCST以上PNIPAM收縮。利用它的溫敏性可以在室溫下負載PS膠體,在45℃凝膠收縮釋放PS膠體,再進行三次循環加載和釋放PS膠體後多孔PNIPAM性質不變。該聚合物多孔材料在活性微囊膠體釋放、藥物釋放以及智能塗層方麵有潛在的應用。將殼聚糖CS溶液和透明質酸鈉SH溶液共混製備成CS-SH複合聚電解質溶液,用真空冷凍幹燥法除去溶劑製備了CS-SH複合聚電解質納米纖維膜,並將複合聚電解質納米纖維膜作為疏水性藥物紫杉醇PTX的載藥體係,研究了其藥物釋放行為。結果表明PTX在該載體中的釋放較為平緩,可以延長藥物的有效時間降低給藥次數增強治療效果降低藥物的毒副作用。
在吸附分離領域方麵的應用
目前,環境和水汙染越來越嚴重,亟待開發低成本、快速、高效的新穎吸附材料。凍幹的聚合物材料由於具有均勻的微孔排列,因此在分離和吸附領域具有廣闊的應用前景。
利用定向凍融法製備了孔隙率為97%有序多孔的殼聚糖-明膠/氧化石墨烯(CGGO)複合塊體材料。高的孔隙率使得CGGO多孔塊體能夠有效的吸收引發嚴重環境問題的金屬離子,例如Cu2+,Pb2+等。更重要的是該複合塊體在幹濕兩種狀態下顯示出較高的力學強度,5次吸附-解吸循環後,多孔的CGGO仍能保持80%的吸收。由於該複合塊體材料可生物降解、無毒、高效且易再生,複合塊體還可以吸收蛋白質、DNA等大分子。研究了殼聚糖-氧化石墨烯複合氣凝膠在吸附CO₂及耐高溫分解方麵的性質。通過凍幹法製備了不同氧化石墨烯含量的殼聚糖雜化氣凝膠,加入GO後不僅改變了氣凝膠的微觀形貌,而且提高了複合氣凝膠的熱力學性質。如圖所示,與純殼聚糖氣凝膠相比,含有GO的複合氣凝膠有更多重疊層狀結構。此外,當GO的添加量為20%時,常溫常壓下測得複合氣凝膠的CO₂吸附值提高了一倍。更重要的是,在長時間的吸附解吸循環下雜化氣凝膠有很好的吸附穩定性,顯示了其在吸附領域方麵廣泛的應用。
除了吸收金屬離子和氣體以外,凍幹的多孔聚合物材料還具有吸油的能力。通過真空冷凍幹燥天然纖維素水凝膠製備了多孔的納米纖維素氣凝膠。如圖所示,凍幹的纖維素相互包裹成片,有均一的納米尺寸分布。同時在氣凝膠表麵修飾上TiO2塗層,賦予該氣凝膠疏水親油的性能。修飾後的氣凝膠不僅能高效選擇性吸收非極性液體,而且吸附容量在多次浸漬-幹燥循環後幾乎保持不變。用類似的方法製備了用矽烷修飾的納米纖維素氣凝膠,並且通過改變納米纖維素分散液的濃度使得氣凝膠密度、孔隙尺寸分布和潤濕特性達到優化。修飾後的氣凝膠也顯示出疏水親油以及選擇性循環吸附油水混合物的性質。除了纖維素大分子以外,還有其他的高分子材料用於油水分離。凍幹溶劑熱還原的氧化石墨烯與PVDF混合溶液,得到了超疏水和超親油石墨烯/PVDF複合氣凝膠。該氣凝膠對多種有機溶劑和油的吸附容量達到20~70g/g,超過了多數碳氣凝膠以及二氧化矽氣凝膠,更重要的是,此研究為製備多種超疏水超親油的石墨烯/疏水高分子複合的氣凝膠奠定了基礎。
在導電和氣體檢測方麵的應用
通過凍幹導電聚合物溶液或者導電填料和聚合物的混合溶液可以得到導電的高分子複合材料。通過凍幹膠狀納米顆粒與低玻璃化轉變溫度的聚合物乳液的混合液得到了納米顆粒增強的聚合物多孔材料,進一步引入炭黑作為導電填料,得到的多孔材料顯示出在化學感應器方麵巨大的潛在應用。真空冷凍幹燥法製備聚合物材料大多是將聚合物直接在溶劑中分散,冷凍後幹燥,很少用單體進行聚合製備多孔材料,尤其是規則有序的多孔材料。將丙烯酸酯單體溶液在紫外光燈照射下聚合形成交聯的聚合物,再經過除溶劑以及修飾過程製備了多孔導電複合材料。此外,通過冷凍幹燥法還製得了具有取向微孔結構的導電炭黑/PVA複合材料。利用該方法除去冰晶體,得到聚合物三維有序結構。通過在溶液中添加氧化劑的方法,還可製備聚合物/氧化劑複合材料,氧化劑很好地分散在聚合物基體中。
凍幹具有特殊官能團的高分子溶液得到的多孔材料還可以用於氣體檢測。利用凍幹法製備結構規整的二苯乙炔聚合物衍生物(PTMSDPA)納米纖維,該纖維對硝基芳香化合物組分比較敏感,因此可以作為氣體傳感器來檢測有機爆炸物。凍幹聚吡咯納米溶液製備了共軛聚合物的納米纖維。所製備的聚吡咯的納米纖維不僅具有高表麵積,而且也可以用作氣體傳感器。
*部分圖文素材源於網絡
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