水凝膠材料
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-09
水凝膠材料的視頻教程
414-基于相變材料回填并考慮地下水滲流影響的U形地埋管換熱器仿真
備注：模型參數同404案例。 模型圖 仿真工況 入口條件：流體速度0.6m/s，velocity inlet，水溫36℃，直徑26mm。 土壤原始溫度：16℃。 計算域外圍和底部設為初溫16℃，計算域頂部設為絕熱邊界。 網格圖 說明：實際應用時需要進行網格無關性驗證，以便選取合適的網格數量（兼顧計算速度和計算質量）。 因此處字數限制，未展示全部更為詳細的結果及工況介紹等內容
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水凝膠材料的實例教程
自然界中許多濕滑的生物組織具有典型的層狀結構，進而賦予其獨特的功能特性，水凝膠是制造類層狀組織結構體的重要人工材料，如何實現仿生層狀濕滑水凝膠材料的按需制造，突破層數、層網絡結構、幾何尺寸、厚度、成分和力學性能在時間尺度上的精確調控頗具挑戰。
圖1. UV-SCIRP方法學制備多樣化層狀濕滑水凝膠材料的示意圖。
近期，中科院蘭州化物所麻拴紅副研究員、周峰研究員團隊和美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授團隊合作提出了一種制備類組織層狀水凝膠材料的新方法：紫外引發的表面催化引發自由基聚合（UV-SCIRP）; 利用該方法可以成功制備具有可控厚度、組分、幾何結構和尺寸的多樣化層狀水凝膠潤滑材料（圖1）;通過該方法制備得到的水凝膠材料層狀特征明顯、層數可控、層厚度均勻且可調, 層界面結合良好, 適用于構筑化學組分交替的多層水凝膠材料（圖2）；該方法可實現復雜形狀和尺寸水凝膠結構體的濕滑改性修飾，如平面、曲面、通道和球體（圖3）；利用UV-SCIRP方法還可成功制備血管狀多層水凝膠結構體，層厚度、化學組分、網絡孔隙率和力學強度精確可調控（圖4）。這項研究工作打破了層狀水凝膠材料制造的傳統“砌磚”成型方式，從界面聚合化學角度出發，提出一種與天然層狀生物組織形成過程相似的聚合新方法學（圖5），為開發具有廣泛應用前景的仿生層狀濕滑水凝膠材料提供了一種全新的制造途徑。
圖2. 利用UV-SCIRP方法制備多層水凝膠材料。
圖3.
展開 獨特的彈性力學行為還賦予此類復合水凝膠材料優異的抗疲勞性質，例如動態載荷測試表明歷經5000次循環拉伸處理后，此類納米復合水凝膠依然能維持其交聯網絡的完整性，顯示出與其初始狀態幾乎一致的力學行為。
圖2. 不同類型納米顆粒復合水凝膠材料的應力松弛行為、動態流變行為、循環載荷下的應力-應變曲線以及小角中子散射原位表征結果及由此建立的微觀結構示意圖。
通過對比不同類型納米顆粒增強水凝膠的應力松弛行為、動態流變行為以及循環載荷下的應力-應變曲線（圖2），研究團隊明確了高度支化的納米顆粒作為主要交聯點對于構建此類純彈性水凝膠材料的關鍵作用，并進一步通過小角X射線散射以及小角中子散射在微觀尺度上解釋了此類納米增強水凝膠材料純彈性力學行為的根源。
圖3. 基于低回滯納米復合水凝膠材料構建的離子型應力傳感器在微小振動高精度檢測中的應用。
最后，基于此類納米復合水凝膠材料獨特的純彈性力學行為，研究團隊還構建了離子型應變傳感器，實現了對微小振動的高靈敏度檢測（圖3）。該工作以“Hysteresis-Free Nanoparticle-Reinforced Hydrogels”為標題發表在材料學期刊《Advanced Materials》上。相關研究成果為構建高彈性抗疲勞水凝膠材料提供了新的思路與解決方案。
論文的第一作者是中科院化學研究所的孟曉輝博士。通訊作者是中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室邱東研究員和美國馬薩諸塞大學Amherst分校的Thomas P. Russell教授。
展開 高分子水凝膠驅動材料是近年來發展起來的一類具有與生物組織相似的“軟、濕態”特性的智能高分子材料，它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激，從而發生可逆形變，因而在仿生驅動器、軟質機器人等領域具有巨大的應用潛能。但通常受限于材料自身的成分及結構，這些智能水凝膠驅動材料通常存在難以實現三維復雜形變、難以脫離水環境進行驅動、功能較為單一等問題，限制了其進一步應用。針對現存的問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤和張佳瑋通過構筑系列的非對稱性高分子水凝膠及其復合材料體系，實現了其在智能水凝膠驅動器的多功能應用。
通過模仿自然界中生物體的各向異性結構，采用紫外光原位法，他們將氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）復合水凝膠中的氧化石墨烯局部還原，從而高度可控地獲得了非對稱的各向異性結構。以其為模板，在水凝膠未還原區域引入具有不同刺激響應性的第二網絡，進一步實現了多重響應（熱、光、離子強度和pH響應）的3D復雜形變并設計了一種“仿生抓手”，可在多種外界刺激下，準確抓取特定的目標物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。
圖1 （A）含羞草在空氣中響應及其響應機理，（B）具有水分子內循環系統的雙層水凝膠，雙層水凝膠在（C）水、（D）油、（E）空氣中的響應功能
由于智能水凝膠驅動材料需要通過與周圍水溶液發生物質交換誘導水凝膠的溶脹或收縮，從而實現形狀的可逆改變，因而水凝膠驅動材料通常在水相中才能實現驅動功能。構筑可在多種環境實現驅動的水凝膠驅動器，有助于充分發揮智能水凝膠驅動材料的潛能。借鑒含羞草受到外界刺激時葉片閉合、葉柄下垂的機理（水分子在葉枕上下兩部分的定向移動），他們利用熱響應行為相反的高分子構筑了雙層水凝膠（圖1）。
展開 原位礦化的羥基磷灰石納米晶體主要沉積在海藻酸鹽水凝膠上，并沿著纖維骨架取向排列，均勻分布于復合水凝膠基體中。
圖2. 結構、成分表征：(a-b) 天然松木的橫截面及縱截面結構；（c）脫木質素前后木材各組分含量變化；（d-e）脫木素后模板的橫截面及縱截面結構；（f）脫木質素前后模板的XRD圖譜；（g-i）模板填充水凝膠后的微觀結構；（j）沉積HAp后復合水凝膠的微觀結構；（k）水凝膠復合HAp的TEM圖及對應的選區電子衍射斑；（l）復合水凝膠中HAp的三維分布；（m）復合水凝膠的2D SAXS圖。
由于纖維素與海藻酸鹽之間的氫鍵作用以及在基體內均勻分布的Hap納米晶體填充效應，該復合水凝膠表現出超強的力學性能，沿纖維取向方向的拉伸強度高達67.8 MPa，彈性模量達到670 MPa，比常規化學交聯水凝膠高3個數量級，并超過大多數的強韌水凝膠材料，與天然骨的強度接近。在平行取向方向，水凝膠拉伸強度為13.2 MPa，彈性模量為7.4 MPa，表現出顯著的各向異性。
圖3. 化學處理后的木材（WW）、木材水凝膠(WH)、HAp礦化的木材水凝膠（MWH）復合材料力學性能對比：(a-c) 分別為WW、WH及MWH沿纖維取向L和垂直纖維取向R的拉伸應力-應變曲線；(d-e)拉伸強度和彈性模量對比；(f) 本研究制備的MWH與其他具有代表性的水凝膠材料、軟骨、骨組織的機械強度及彈性模量對比；(h) 海藻酸鹽水凝膠與纖維素分子間的氫鍵結合。
納米HAp的定向有序沉積賦予了此木材水凝膠復合材料獨特的生物功能性，不僅改善了成骨細胞在WH上的增殖和粘附，并成功誘導細胞向成骨分化。
展開 水凝膠是一種普遍存在于生活中的基礎材料，尤其在生物工程和醫學領域有著廣泛的研究和應用。這種材料本質上來說是一種親水的三維聚合物網絡，能夠吸收大量的水以及生物體液，但同時又由于物理化學交聯作用而并不溶于水，因此導致水凝膠材料遇水表現出熱力學相容性，即能夠在水相介質中溶脹。正是由于這些特點，水凝膠材料在藥物遞送等生物應用領域積累了幾十年的科學研究。
近十多年來，納米技術發展迅猛，將納米顆粒與水凝膠相結合用于藥物遞送也成為了研究熱點。簡單來說，所謂納米復合材料就是將納米顆粒或者納米構造通過物理或者共價交聯的方法引入到水凝膠的分子網絡中。由于納米顆粒自身具有獨特的物理化學性質， 引入了納米材料的水凝膠可以增強自身機械性能更利于藥物釋放，或者被賦予諸如外源刺激響應等功能來進一步實現藥物的可控釋放。
【增強水凝膠自身性能】
受限于聚合物網絡結構以及含水量豐富的性質，水凝膠的力學性能較差，而生物支架或者軟骨組織替代物對材料的韌性與機械強度都有一定的要求，因此適當提高水凝膠材料的力學性能能夠促進其在生物醫學領域的發展。魯雄等人受到貽貝粘附現象的啟發，發展了一種聚多巴胺-粘土-聚丙烯酰胺的水凝膠基膠帶。在這種材料中，多巴胺插入粘土納米片層中并在其中進行有限的氧化作用從而為納米片層引入了豐富的自由鄰苯二酚分子，可有效增強材料的粘性。隨后丙烯酰胺單體也被引入并原位生成水凝膠。由于納米粘土可的存在，水凝膠的韌性被大大增強，其粘性持續時間明顯提高，可反復使用，更有利于藥物分子的緩釋作用。
細胞的體外培養需要人工細胞外基質的支持，水凝膠作為細胞外基質的對象材料已經產生了廣泛的研究。
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01
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電子產品產生大量的熱量，這種熱量積累可能導致溫度超過安全限制，增加熱失效甚至組件燒毀的風險。盡管在柔性和可拉伸電子、熱安全性和穩定性方面的快速發展在很大程度上仍未得到探索。雖然一些研究建議采用高導熱材料(如液態金屬)來改善可拉伸電子產品的導熱性，但過熱情況下
研究方向包括：微化工技術、微流體紡絲技術、微流控3D打印技術、功能纖維、量子點、光子晶體、水凝膠材料等。以第一作者或通訊聯系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.發表SCI論文300余篇。
來源 | Small
01
背景介紹
輕質隔熱材料對于運輸和儲存溫度敏感的物品、電子設備熱管理、優化建筑物內部的舒適性至關重要。常用的商業絕緣隔熱材料包括聚合物基隔熱泡沫，如膨脹聚苯乙烯(EPS)和膨脹聚乙烯(EPE)。諸如此類的塑料是造成碳排放的核心因素之一，占全球碳排放量的15%。因此，利用天然可生物降解的聚合物制造高度可持續和節能的材料可以最大限度地減少對化石燃料的依賴
基于合成聚合物、生物聚合物和肽等構建塊的各種水凝膠和支架材料用于組織工程和再生醫學應用，并用作3D癌癥模型的基礎基質。新的工程方法能夠合理設計具有多種結構和信號成分的水凝膠和支架材料，以更準確地再現腫瘤微環境（TME）的異質性。
來源 | Journal of Materials Science & Technology
01
背景介紹
先進電子設備中的中央處理器(CPU)和射頻(RF)芯片的快速發展，芯片逐漸向集成化，微型化發展，導致功率密度的增加，因此使器件在工作的過程中產生大量的熱量。熱量積聚在電子設備中，造成系統溫度過高會嚴重影響運行效率和穩定性
來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer
原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123946
01
背景介紹
隨著科技的飛速發展，器件功率密度的提高和器件的小型化
來源 | ACS Applied Polymer Materials
原文 | https://doi.org/10.1021/acsapm.3c00481
01
背景介紹
隨著微電子技術的快速發展，電子元件尺寸的小型化和頻率的增加，導致巨大的功耗密度，所以會產生較大的熱量
4、具有免疫調控功能的β-葡聚糖-可得然多糖作為基底材料的復合水凝膠
據科學網報道，廣東省科學院生物與醫學工程研究所生物醫學材料研究室針對當前臨床上修復用皮膚敷料功能不全等問題，構建了一種制備簡易、成本較低的多功能天然水凝膠敷料。相關研究近日發表于Carbohydrate Polymers。
《Biofabrication》：可個性化定制的投影式光固化打印多材料水凝膠微流控芯片（2021）
該研究開發了一臺投影式光固化生物3D打印機，該打印機可以快速、一步地制作基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和甲基丙烯酸酰化明膠（GelMA）的多材料復合水凝膠微流控芯片。該微流控芯片具有良好的機械性能和生物相容性，并且可以有效地促進微組織血管化。
414-基于相變材料回填并考慮地下水滲流影響的U形地埋管換熱器（地源熱泵）換熱仿真
備注：模型參數同404案例。
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仿真工況
入口條件：流體速度0.6m/s，velocity inlet，水溫36℃，直徑26mm。
土壤原始溫度
