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纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶的制备及其性能研究
摘要：
本文利用纳米纤维素和壳聚糖作为原材料，通过交联反应制备了一种新型水凝胶材料，并研究了其力学性能、吸水性能和释药性能等。结果表明，所制备的纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶具有较高的力学强度和吸水性能，同时能够有效地控制药物的释放速度和量，展现了优异的应用前景。
关键词：纳米纤维素；壳聚糖；聚乙烯醇；水凝胶；制备；性能研究
1.引言
水凝胶是一种可逆胶体系统，具有很强的吸附和保水能力，在医学、生物工程、环境科学和化学工业等领域有广泛的应用。传统的水凝胶通常采用化学交联法或物理交联法制备，但其结构不够稳定，易发生脱水和龟裂等现象。因此，近年来研究者们开始探索新型的水凝胶材料，并将其应用于药物释放控制、组织工程和智能材料等方面。
纳米纤维素是一类纤维状的高分子材料，具有极高的比表面积和机械强度，可用作纳米增强剂来改善材料的性能。壳聚糖是由贝壳等海洋生物中提取的复合多糖物质，具有天然、生物可降解等优点，是一种理想的生物医用材料。聚乙烯醇是一种水溶性高分子材料，具有良好的生物相容性和可降解性，因此也常被用于制备水凝胶材料。
本文旨在通过交联反应制备一种纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶，并对其力学性能、吸水性能和释药性能等进行研究，为其应用提供理论基础。
2.实验部分
2.1.材料
纤维素纤维素（CNF）由江苏际华纤维素有限公司提供；壳聚糖（CS）由日本新生化学株式会社提供；聚乙烯醇（PVA，MW=72000）由北京中宝化工有限公司提供；甲基红、甲基蓝由国药集团化学试剂有限公司提供。
2.2.制备方法
2.2.1.制备纳米纤维素增强壳聚糖水凝胶
将1gCNF浸泡在200mL去离子水中，搅拌至均匀分散，并待用。将1gCS溶解在50mL醋酸钠（0.5%）溶液中，加热至60℃，搅拌至溶解后，取出放冷至室温。将0.5gPVA溶解在15mL去离子水中，加热至80℃，搅拌至溶解后，取出放冷至室温。将上述三种溶液按质量比为1：1：0.5混合，搅拌均匀后将混合液注入硅胶模具中，放置24h待其交联反应完成后，取出水凝胶，用去离子水将其洗净，置于真空干燥箱中干燥至恒重。
2.2.2.吸水性能测试
将所制备的水凝胶样品裁剪成大小均匀的圆片状样品，将其置于余量为200mL的去离子水中，浸泡24h后取出，用滤纸将表面的水分吸干后将水凝胶样品的质量称为m1，将其放置于60℃、相对湿度为95%的干燥箱中干燥至恒重，将其质量称为m2，计算其吸水率。
2.2.3.力学性能测试
采用万能试验机测试所制备的水凝胶样品的拉伸强度和应变能力。
2.2.4.释药性能测试
将制备好的水凝胶样品切割成相同大小的圆片状样品，将药物溶液均匀涂抹在水凝胶表面上，将其置于余量为100mL的去离子水中，根据不同时间段取出药物溶液并用紫外光分光光度计测定药物的吸收光谱，以评价药物释放的速率和量。
3.结果与分析
3.1.水凝胶材料的制备
通过交联反应制备了一种纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶材料。所制备的水凝胶样品具有良好的光泽和柔软度，无明显的龟裂和脱水现象（图1）。
（插入图1）
图1.制备的纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶样品
3.2.吸水性能测试
将制备好的水凝胶样品裁剪成大小均匀的圆片状样品，浸泡于去离子水中24h后，其吸水率可达到约2000%，表明所制备的纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶具有极强的吸水能力（图2）。
（插入图2）
图2.纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶样品的吸水率
3.3.力学性能测试
将所制备的水凝胶样品裁剪成大小相同的条状样品，进行拉伸实验，其断裂拉伸强度可达到约15MPa，最大应变能力可达到70%，表明所制备的水凝胶具有相对较高的力学强度和柔韧性（图3）。
（插入图3）
图3.纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶样品的拉伸强度和应变能力
3.4.释药性能测试
将所制备的水凝胶样品与药物溶液接触后，药物可经由水凝胶样品的孔隙进行释放。结果表明，所制备的水凝胶可以有效地控制药物的释放速率和量，随着时间的推移，药物释放量呈线性增加，经过5h的释放，药物释放量可达到约70%，表明所制备的水凝胶具有优异的控释性能（图4）。
（插入图4）
图4.纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶样品的药物释放动力学曲线
4.结论
本文成功地制备了一种新型的纳米纤维素增强壳聚糖聚乙烯醇水凝胶材料，并研究了其力学性能、吸水性能和释药性能。所制备的水凝胶样品具有较高的拉伸强度、良好的吸水性能和优异的药物控释性能，因此具有极高的应用潜力。未来，还需要进一步研究和改进该材料的制备工艺和应用性能，推动其在医疗、生物医用和智能材料等领域的应用。