摘 要

TEMPO （2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）催化氧化方法所制备的纤维素纳米纤维不仅具有传统纤维素的基本性质，还具有纳米尺寸结构、可水相单分散、高表面羧基含量等一系列特性。由TEMPO氧化后的纳米纤维素制备出的水凝胶含水率高、可塑性强、生物相容性好，但力学性能不够理想。本课题旨在通过化学物理双交联和离子化学双交联方式制备出具有良好力学性能的纳米纤维素水凝胶，并进一步探究它的性能。研究结果表明，通过TEMPO催化氧化成功制备出了纳米纤维素，其分散液通过环氧氯丙烷化学交联、铁离子交联、冷冻物理交联以及双交联等方式成功制备出了具有稳定结构的纳米纤维素水凝胶。该类纳米纤维素凝胶均具有多孔的三维网状结构，双交联凝胶比单一交联凝胶孔径更小，交联更紧密，且最大压缩强度显著提升。该纳米纤维素凝胶将在药物控制释放、组织工程等生物医用领域具有广泛的应用前景。

关键词： 纳米纤维素；水凝胶； 化学交联；离子交联；双交联

Abstract

The cellulose nanofibrils prepared by the TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) catalytic oxidation method (TOCN) have not only the basic properties of traditional cellulose, but also nano-sized structure, good water dispersibility, high surface carboxyl content, etc. The hydrogel prepared from TEMPO-oxidized nanocellulose has high moisture content, strong plasticity, and good biocompatibility, but its mechanical properties are not ideal. The purpose of this work was to prepare nanocellulose hydrogels with good mechanical properties through chemical and physical double cross-linking and ion and chemical double cross-linking, and further to explore their performance. The results showed that the nanocellulose hydrogels with stable structure were successfully prepared by TEMPO-catalyzed oxidation system to obtain TOCN followed by different cross-linking methods of TOCN, such as chemically cross-linking by epichlorohydrin, cross-linking by iron ions, physically cross-linking by freeze, or double cross-linking. All the nanocellulose hydrogels had a porous three-dimensional network structure. Double-crosslinked gels had a smaller pore size than a single cross-linked gel, and also a tighter cross-linking and a significantly increased maximum compressive strength. The nanocellulose gel will have a wide range of application in the fields of drug controlled release, tissue engineering and other biomedical applications.

Key words: Nanocellulose；Hydrogel；Chemical crosslinked；Ion crosslinked；Double

crosslinked

目录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究的背景与意义 1

1.1.1 纳米纤维素 1

1.1.2 TEMPO介导的纤维素氧化 2

1.1.3 双交联纳米纤维素水凝胶 3

1.2 研究内容、研究目的与技术路线 5

第2章 仪器介绍及纳米纤维素水凝胶的合成 7

2.1试剂以及仪器 7

2.1.1 药品试剂以及生产公司 7

2.1.2 仪器以及生产公司 7

2.2制备步骤 8

2.2.1洗浆 8

2.2.2 TEMPO氧化法制备纤维素氧化浆 8

2.2.3制备纳米纤维素分散液 9

2.2.4不同交联方式制备纳米纤维素水凝胶 9

第3章 纳米纤维素水凝胶性能测定 10

3.1 形貌测试 10

3.1.1场发射扫描电子显微镜 10

3.1.2 扫描探针显微镜（原子力显微镜） 10

3.2傅里叶红外光谱测试 10

3.3 力学性能测试 11

3.4溶胀测试 11

第4章 数据分析与结果讨论 12

4.1形貌分析 12

4.1.1扫描探针显微镜分析 12

4.1.2场发射扫描电子显微镜分析 12

4.2 傅里叶红外光谱测定分析 13

4.3力学性能测定分析 16

4.4 溶胀度的测定讨论 18

第5章 结语 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 论文研究的背景与意义

1.1.1 纳米纤维素

在各种多糖中，纤维素是最坚韧的天然结晶多糖之一，也是最重要的天然聚合物之一，它是植物细胞壁的最主要成分之一，对整个植物起支撑作用,是自然界最丰富的生物质资源，几乎是取之不尽，用之不竭的，因此成为工业规模可持续材料的主要来源。早在20世纪20年代，就已经证明了纤维素由纯的脱水D-葡萄糖重复单元所组成，也已证明重复单元是纤维二糖。通常来说纤维素分子大约约由8000～12000个左右的葡萄糖单元所构成^[1]。由碳、氢、氧三种元素组成，这三种元素在纤维素中的比例分别是：碳含量是44.44 wt％，氢含量是6.17 wt％，氧含量是49.39 wt％。纤维素的结构为β-D-葡萄糖单元经β-（1，4）-糖苷键连接而成的无分支的直链多聚体。纤维素的化学式是C₆H₁₀O₅ ，化学结构的实验分子式是（C₆H₁₀O₅）n ，分子结构如下图1.1所示。