几丁质纳米晶对阿拉伯胶水凝胶复合材料力学性能和溶胀性能的影响
Carbohydrate Polymers
背景
1、水凝胶是由亲水大分子交联形成的三维网络，其性能的优劣取决于原料的构成和交联方式。
2、多糖基（阿拉伯树胶（Gum Arabic，GA））水凝胶延展性有限，力学性能较差，需要通过交联和化学改性的方式改善其性能。
3、几丁质纳米晶须（Chitin Nanowhiskers，CtNWs），具有生物可降解性、生物相容性和抗菌性能等诸多优点，其表面官能团和高比表面积使其容易与其他组分相互作用，进行化学修饰，在提高复合材料的强度和稳定性方面具有潜在应用价值。
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Figure 1. (a) Isolation of CtNWs from raw chitin and (b) synthesis of GA-GMA followed by the synthesis of the hydrogel nanocomposite.
方法及结果
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方法/仪器 |
指标 |
结果 |
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质构仪 |
力学性能 |
CtNWs添加量为10%时，GA水凝胶体系杨氏模量增加44%，断裂力值提高96% |
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重量法 |
溶胀性能 |
不含CtNWs的GA水凝胶体系溶胀度为975%，而含CtNWs的水凝胶体系溶胀度在725%以下 |
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TEM |
微观形貌 |
酸解得到的CtNWs平均长宽分别为219±42 nm和16±5 nm，长径比为14；GA GMA/CtNWs10%复合体系中CtNWs随机分散 |
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FTIR |
分子结构 |
GA-GMA/CtNWs0和GA-GMA/CtNWs10%显示出相似的特征波段，N-H弯曲(约1550 cm-1)和C-N拉伸(约1230 cm-1)相关的能带强度增加可以归因于交联剂的作用 |
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XRD |
晶体结构 |
10%CtNWs复合体系2θ≈9.3º、19.2º和26.3º处显示出CtNWs的特征衍射峰，表明GA-GMA水凝胶与CtNWs成功复合 |
Figure 2. TEM images (Left - bright field mode; Right - dark field mode) of CtNWs isolated from chitin by acid hydrolysis (Conditions: 3 mol/L HCl, 1 g/30 mL chitin/HCl solution, at boil, 90 min).
Figure 3. 1H NMR spectra of GMA, raw GA, and GA-GMA.
Figure 4. Schematic illustration of the GA-GMA hydrogel nanocomposite containing CtNWs and TEM image of the GA-GMA/CtNWs10. The white arrows in the TEM image indicate the CtNWs dispersed through the hydrogel matrix.
研究结论
1、GA-GMA水凝胶体系中引入不同含量的CtNWs，有效合成纳米复合材料。
2、红外光谱结果表明，氢键作用使CtNWs在复合水凝胶基质中均匀分散。
3、纳米复合材料的力学性能和溶胀性能与CtNWs添加量有关，CtNWs的添加增加了水凝胶强度，降低了溶胀能力。
CtNWs可调节纳米复合水凝胶体系的功能和适用性，在生物医学领域具有潜在应用前景。
参考文献
Effect of chitin nanowhiskers on mechanical and swelling properties of gum Arabic hydrogels nanocomposites.
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118116
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