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基于光交联丝素蛋白的自变形水凝胶的制备及应用

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基于光交联丝素蛋白的自变形水凝胶的制备及应用

作者：王璐重庆科技学院

学位级别：硕士

水凝胶是一类具有三维网络结构,能在溶液中溶胀且长时间保持水分的功能高分子材料,由于其能够模拟细胞外基质的结构与功能,是一种优良的组织工程支架材料。自变形水凝胶可以在外界刺激下自发地变为某种设定的形状,将平面结构转化为许多... 详细信息

水凝胶是一类具有三维网络结构,能在溶液中溶胀且长时间保持水分的功能高分子材料,由于其能够模拟细胞外基质的结构与功能,是一种优良的组织工程支架材料。自变形水凝胶可以在外界刺激下自发地变为某种设定的形状,将平面结构转化为许多复杂的三维(3D)结构,从而模拟天然组织或器官的复杂结构,从形态仿生进而实现功能仿生,在新兴的四维(4D)生物打印中展现出巨大的应用前景。然而,由于当前制备自变形水凝胶的材料大多具有细胞毒性、变形条件苛刻且制备过程复杂、力学性能和稳定性较差以及存在惰性层(低溶胀层)不能支持细胞铺展生长等问题,限制了自变形材料在组织工程中的应用。因此,本论文针对上述应用于组织工程的自变形水凝胶研究中的主要问题,以具有优良生物相容性和可降解性的丝素蛋白(SF)和明胶复合水凝胶为研究对象,以改善自变形水凝胶材料的整体性能为目标,通过调控预聚物中的空间位阻或引入超声空化效应等机制,开发了一系列的具有优良的溶胀性能、力学性能以及生物相容性的自变形水凝胶,有望用于组织工程中复杂结构的构建。主要包括以下内容:(1)首先,为了探究预聚物中的空间位阻效应对SF构象转变的影响,通过向Sil MA(甲基丙烯酸酯化SF)预聚物中添加不同含量的Gel MA(甲基丙烯酸酐改性明胶),利用紫外光交联的方法制备出了一系列的Sil MA-Gel MA复合水凝胶材料。其次,通过对复合水凝胶的化学结构分析、扫描电镜的观察、溶胀度、含水量、力学性能、降解性能等实验的测试,证明了明胶可以通过空间位阻效应调控SF的蛋白质构象,有效地抑制SF中β-折叠结构的形成。另一方面,明胶的引入改善了SF水凝胶的降解性能,增加了细胞的活性位点。随后,通过细胞三维包裹实验探究了复合水凝胶的细胞相容性和细胞生长行为,证明此一系列的复合材料具有优异的细胞相容性。结果表明,通过空间位阻效应可以影响SF的构象转变,使得复合水凝胶的性能产生差异,为后期构建自变形水凝胶奠定了基础。(2)其次,为了证实上述复合水凝胶材料可以构建自变形体系,利用复合水凝胶中溶胀性能和力学性能的差异,通过顺序紫外交联法制备了双层水凝胶。上层为Sil MAGel MA复合水凝胶,下层为Sil MA水凝胶,其中,由于Gel MA的空间位阻效应,使得上下两层水凝胶中β-折叠形成量产生差异,进而提供额外的卷曲应力并驱动双层水凝胶贴片的自然卷曲行为,可以改善自变形水凝胶结构的力学性能和长期稳定性。随后,优化自然卷曲的过程参数,同时研究了双层水凝胶的自变形性能,并且通过灌注试验考察了管状结构的扩散性能。最后,通过细胞包裹实验证明此自变形水凝胶具有优良的细胞相容性,可用于构建细胞的三维共培养系统。(3)由于当前大多数溶胀依赖的自变形水凝胶都存在惰性层,对包裹在其中的细胞产生强烈的物理束缚,导致细胞很难正常生长与增殖。为了解决此问题,本章提出了一种基于超声空化效应的自变形水凝胶的制备方法。上下两层均为同种浓度的Sil MAGel MA复合水凝胶,下层预聚物溶液采用超声处理,控制超声波输出的能量来促进Sil MA-Gel MA复合水凝胶中β-折叠结构的聚集,从而通过超声诱导卷曲体的形成。随后对Sil MA-Gel MA复合水凝胶的化学和物理性质进行表征,例如构象结构、内部形貌、溶胀度、力学性能和降解行为等;研究细胞在Sil MA-Gel MA复合水凝胶中的粘附和增殖情况,并探究其在三维培养条件下的细胞相容性和细胞生长情况。证明了较高浓度Gel MA的存在有效降低了传统自变形水凝胶体系中惰性层对细胞培养的限制程度,有望维持卷曲体中细胞的正常生长及活性,从而有利于构建出具有多层次多细胞空间分布的体系,为组织工程结构的构建提供一种新的思路。

关键词：丝素蛋白明胶水凝胶自变形组织工程

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自重构模块化机器人的运动空间及自变形算法

机械工程学报 2009年第3期45卷 197-202页

作者：费燕琼张鑫夏振兴上海交通大学机器人研究所上海200240

设计一种新颖的同构式模块化自重构机器人系统,该自重构机器人系统的基本模块由1个中心体和6个旋转面组成。根据模块的运动特征及棋盘规则的约束,以Oxy平面为例,分4种情况,研究并归纳出该自重构模块化机器人系统的可能运动空间。利用当... 详细信息

设计一种新颖的同构式模块化自重构机器人系统,该自重构机器人系统的基本模块由1个中心体和6个旋转面组成。根据模块的运动特征及棋盘规则的约束,以Oxy平面为例,分4种情况,研究并归纳出该自重构模块化机器人系统的可能运动空间。利用当前构型重心和目标构型重心之间距离的函数作为驱动模块运动的启发信息,根据每个模块自身的可能运动空间,并结合模块对目标位置的逐步填充方式共同完成系统的自重构运动规划。为了能快速完成该类自重构模块化机器人的自变形任务,定义模块的优先运动系数,规定模块的填充原则,将逐步填充式自变形算法进行一定优化,得出该类自重构模块化机器人系统的自变形方法。最后给出一个16模块自重构机器人系统的变形仿真实例,证明上述方法的可行性。

关键词：自重构机器人模块自变形运动空间

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自重构机器人的自变形研究

高技术通讯 2004年第3期14卷 75-78页

作者：徐威王石刚王安麟于新瑞上海交通大学机械工程学院上海200030

首先根据自重构机器人系统结构的基本特征提出一种有效的描述模型，可以对自重构机器人的拓扑结构进行统一的描述。然后与这种描述模型相结合，提出了一种建立在全离散的局部智能基础上的自重构机器人的自组织变形策略，通过建立统一的... 详细信息

首先根据自重构机器人系统结构的基本特征提出一种有效的描述模型，可以对自重构机器人的拓扑结构进行统一的描述。然后与这种描述模型相结合，提出了一种建立在全离散的局部智能基础上的自重构机器人的自组织变形策略，通过建立统一的模块运动规则和规则进化使机器人由局部自主运动产生全局系统自组织的结果。

关键词：自重构机器人自变形自组织模块运动规则规则进化

多场耦合作用下的超高索塔混凝土结构自变形分析

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武汉理工大学学报 2015年第8期37卷 56-61页

作者：蒋金洋武胜萍刘加平孙伟高云东南大学材料科学与工程学院南京211189 江苏省土木工程材料重点实验室南京211189

鉴于单一因素、标准条件下的混凝土变形模型不能真实评价实际混凝土结构处于多场耦合作用下的服役性能,讨论了混凝土水化-温度-湿度多场耦合作用的物理机制,建立了相应的材料变形计算模型。沪通长江大桥超高索塔塔根底部结构混凝土的计... 详细信息

鉴于单一因素、标准条件下的混凝土变形模型不能真实评价实际混凝土结构处于多场耦合作用下的服役性能,讨论了混凝土水化-温度-湿度多场耦合作用的物理机制,建立了相应的材料变形计算模型。沪通长江大桥超高索塔塔根底部结构混凝土的计算实例表明:大体积混凝土早期水化热应力产生的总体膨胀变形量可达350με,随着距塔截面中心距离越远,膨胀变形越小。另外,随着水化进行,混凝土内相对湿度降低而产生自收缩变形。

关键词：混凝土超高索塔多场耦合自变形

光敏感自变形水凝胶作为无接触式3D宏观/微观光打印平台的研究

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光敏感自变形水凝胶作为无接触式3D宏观/微观光打印平台的研究

作者：廖悦天津大学

学位级别：硕士

本文合成了一种含有邻硝基苄基基团的光裂解型交联剂NB526,并与丙烯酰胺(AAm)、N-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺(THMMA)亲水单体通过白光引发自由基共聚反应制得光敏型水凝胶P(AAm-co-THMMA-co-NB526),简称PATN。经过365 nm波长的紫外光照射... 详细信息

本文合成了一种含有邻硝基苄基基团的光裂解型交联剂NB526,并与丙烯酰胺(AAm)、N-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺(THMMA)亲水单体通过白光引发自由基共聚反应制得光敏型水凝胶P(AAm-co-THMMA-co-NB526),简称PATN。经过365 nm波长的紫外光照射,PATN水凝胶的一些物理性质会发生改变,如平衡含水量增大,密度、拉伸强度、模量、交联密度均减小。光照后,PATN水凝胶会自发地卷曲变形,这是由于紫外光通过其厚度方向时,引起不均匀的光裂解反应和溶胀度梯度所致。当对水凝胶进行局部照射,能使2D平面转变成各种3D立体结构,如花瓣仿生变形、手性螺旋变形、莫比乌斯环变形。通过有限元法建立连续性模型,阐明了这类变形的潜在机理。此外,PATN水凝胶能作为一种光打印软湿材料,在紫外光照射下将光罩上的图纹无接触地复制在水凝胶表面,实现了3D的宏观及微观打印。基于这种特性,二维码被首次打印在PATN水凝胶上,用手机扫描该二维码图案可以快速链接到相应网页。因此,光敏型PATN水凝胶有望成为一种极具潜力的打印及存储材料。

关键词：水凝胶光敏光打印自变形

混合型自重构模块化机器人的设计及自变形方法的研究

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混合型自重构模块化机器人的设计及自变形方法的研究

作者：苏士程上海交通大学

学位级别：硕士

自重构模块化机器人是由一定数量的具有简单功能和感知能力的模块组成,该类机器人系统能够通过模块之间的对接、分离和旋转来完成不同构型,所以它可以根据不同的工作环境和任务自主改变构型以完成不同的工作任务,特别适用于一些未知环... 详细信息

自重构模块化机器人是由一定数量的具有简单功能和感知能力的模块组成,该类机器人系统能够通过模块之间的对接、分离和旋转来完成不同构型,所以它可以根据不同的工作环境和任务自主改变构型以完成不同的工作任务,特别适用于一些未知环境和非结构环境等特殊场合,如太空探索、深海检测、灾后救援等。本文设计了一种新颖的混合型自重构模块化机器人系统,该机器人系统的基本模块由主模块和从模块构成,主模块和从模块的外形均为正三棱柱,主从模块通过连接轴连接,连接轴可做360°旋转。主模块结构包括三个部分:内抓结构、外抓结构以及连接轴驱动结构,从模块结构中包括内抓结构和外抓结构。基本模块之间的对接结构是内外抓结构,它们之间的对接和分离是由内外抓结构的对接分离来完成的,内抓结构也可做360°旋转。该自重构机器人通过模块之间的对接、分离以及旋转和模块自身连接轴的旋转实现机器人空间构型的变化。针对混合型自重构模块化机器人模块的运动,设计了对应的控制系统,其中包括硬件电路的设计以及软件的编程。根据基本模块的运动过程选择了对应的传感器,如红外线传感器、编码盘以及霍尔传感器,这些传感器用于测量基本模块的对接、旋转。硬件的搭建是基于单片机PLC2131,测量模块、无线通讯模块、电机驱动模块等都与其相连。软件的编程是通过c语言来完成,编程环境为UV4,我们用c语言对单片机PLC2131进行编程,不仅完成对计算机发出的指令进行处理,还执行相应的操作,如控制电机的旋转、接收处理测量模块的信息、反馈自身的信息给计算机等。采用位姿连接状态矩阵的方法对模块自身状态以及机器人空间构型进行了描述,该矩阵包含了模块自身的位置状态、姿态状态以及各个连接面的连接状态,完整的反映了自重构机器人模块的空间信息。与此同时分析了机器人模块的运动规则,包括对接规则和旋转规则,还分析基本模块各个连接面不同连接情况下的可能存在的运动空间位置,为以后自变形算法的研究奠定了基础。自重构机器人能够根据不同环境完成不同任务的一个最重要的原因就是自变形能力。本文根据自重构机器人模块运动的特点,提出了基于标记点的自变形算法,机器人通过寻找到当前构型与目标构型中不同模块有效的一级一阶运动空间,按照自变形算法中的驱动函数一步一步的完成机器人变形,最后用Java 3D技术对自变形过程进行了仿真。

关键词：混合型自重构机器人主模块从模块对接结构运动空间自变形

具有形状记忆和自变形功能的水凝胶的构建及其应用研究

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具有形状记忆和自变形功能的水凝胶的构建及其应用研究

作者：刘璐天津大学

学位级别：硕士

本文以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪(VDT)，聚乙二醇甲基丙烯酸酯为单体（PEGMA），以含有二硫键的N,N-双（丙烯酰）胱胺（BAC）为交联剂，通过光引发自由基聚合制备高强度水凝胶，命名为PBVP。VDT分子间的多重氢键作用使得凝胶具有... 详细信息

本文以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪(VDT)，聚乙二醇甲基丙烯酸酯为单体（PEGMA），以含有二硫键的N,N-双（丙烯酰）胱胺（BAC）为交联剂，通过光引发自由基聚合制备高强度水凝胶，命名为PBVP。VDT分子间的多重氢键作用使得凝胶具有较高的力学强度，在保持有78%-85%含水率的同时具有350-650kPa的拉伸强度和2-16MPa的压缩强度。由于在不同pH下二氨基三嗪分子间的氢键可实现解离和再形成的过程，PBVP水凝胶具有pH响应的形状记忆功能。氢键的形成可以固定住凝胶的暂时形状，在酸性条件，氢键解离，凝胶又回复至初始形状。此外，具有不同交联密度的双层PBVP凝胶呈现自动变形为三维管状的功能。当双层凝胶处于还原性环境时，如二硫苏糖醇（DTT）或者还原型谷胱甘肽（GSH），交联剂中的二硫键断裂，凝胶的两层产生速率不同的收缩，由此产生内应力，凝胶发生卷曲。在接近细胞内浓度的GSH处理下，L929细胞可以被自动卷入PBVP凝胶管中，同时保持正常的细胞形态。因此，双层PBVP水凝胶很有希望作为一种可植入组织工程支架应用于生物医学领域。

关键词：水凝胶氧化还原 pH 形状记忆自变形细胞支架

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自变形后门“尘土”

黑客防线 2006年第5期 44-46页

作者：天涯衰草

蝴蝶：多态（变形）形式是木马发展的一个重要方向：“尘土”只有52个字节是必须的、其他代码都可以改变，这使得木马隐蔽性大大提高。

关键词：自变形尘土后门隐蔽性木马字节代码

三维水凝胶细胞支架的构建——从手动操作到自变形和形状记忆

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三维水凝胶细胞支架的构建——从手动操作到自变形和形状记忆