关键词： 湿态粘附水凝胶   界面反应   多功能性   动态湿态组织   生物相容性  

摘要： 随着组织工程技术的迅速发展,生物粘合剂作为一种新兴的修复材料正备受关注。它能够替代传统的手术缝合线和缝合钉,有效地避免缝合组织带来的二次损伤、手术耗时以及高技能要求等问题,同时减少术后并发症的风险。生物粘合剂具有快速闭合伤口、止血、封堵漏液的能力,以及促进伤口愈合和组织再生的特性而备受青睐。然而,组织界面存在的生物流体对粘合剂的实际应用效果提出了挑战。这些生物流体不仅阻碍了粘合剂与组织界面的直接接触,而且与粘合剂表面的活性基团会发生竞争性相互作用,导致粘合剂的粘附力降低,甚至完全失效。此外,目前使用的生物粘合剂往往功能单一,难以满足复杂组织修复的临床需求。因此,开发新型生物粘合剂,提高其在湿态环境下的粘附性能,并赋予其高韧性、药物释放、抗菌等多功能特性,对于推动组织工程领域的发展具有重要意义。本文基于水凝胶粘附界面的调控构建用于不同湿态组织的多功能修复材料。本文主要内容如下: (1)受贻贝湿态粘附的启发,由明胶(Gelatin)、多巴胺(DA)、纳米粘土(Nanoclay)构建了非对称(Janus)Gelatin-PDA-Clay(Janus GPC)粘附水凝胶材料,用于口腔组织界面的粘附与修复。通过三者之间的协同作用,调控水凝胶的界面粘附力与本体强度,构建了具有强粘附的水凝胶。此外,在部分交联的明胶上固化非交联状态的GPC水凝胶,制备具有非对称结构(粘附层和非粘附层)的Janus粘附水凝胶,以有效地保护口腔黏膜免受唾液冲刷和口腔运动等破坏行为的影响以及防止外部粘连的发生。另外,此水凝胶还可以负载并释放药物用于口腔溃疡的治疗。因此,制备了一种集Janus、粘附、韧性、载药为一体的多功能水凝胶,有助于针对口腔黏膜疾病创新疗法的开发,对未来粘附水凝胶在临床上的设计与应用具有重大的推动作用。 (2)基于上一个粘附材料的探索,进一步设计并制备了一种葡萄糖触发的可快速拆卸的多功能粘附水凝胶用于加速深度烧伤的创面愈合并减少瘢痕。该水凝胶以单宁酸(TA)为交联剂,与3-醛基苯硼酸(FB)和丙烯酰胺(AM)通过紫外线(UV)在弹性聚氨酯(PU)膜上聚合而成。PU膜可以防止水凝胶水分蒸发,保持伤口微环境处于湿润状态。TA具有良好的抗菌性和止血性能,同时具有与组织界面粘附性的儿茶酚基团。TA和苯硼酸可以形成葡萄糖敏感的硼酸酯键,在葡萄糖的作用下,实现快速脱粘,简化敷料更换程序。此外,水凝胶还具有良好的透明性,有利于创面实时监测及时调整治疗方案,提高治疗效果从而实现诊疗一体化。因此,开发一种集抗脱水、可拆卸、止血、抗菌、透明的多功能水凝胶,其有望在生物组织领域成为一种前景广阔且实用的综合治疗方法。 (3)通过上述粘附水凝胶的研究,发现水凝胶长时间作用于湿态组织,水凝胶会吸收水分导致体积增大,并挤压组织,从而减弱粘附力,甚至破坏应用效果。针对上述问题,引入疏水分子乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)作为交联链,与明胶(Gelatin)、丙烯酸(AA)、丙烯酸-N-羟基琥珀酰亚胺(AA-NHS)通过紫外聚合设计并制备了一种具有抗水化、高韧性和高粘附的水凝胶敷料。疏水分子链的引入不仅限制了亲水分子链的运动,增强了水凝胶的本体强度,还减少了水分侵入水凝胶网络,从而限制了水凝胶的溶胀,保持了水凝胶高的粘附性、杨氏模量、韧性和爆破压力。因此,开发了一种集韧性、抗水化、高粘附的多功能水凝胶,对高度复杂运动的湿态口腔组织具有良好的粘附作用。该系统为开发新型组织粘合剂的合理设计提供了思路。

关键词： 镁稀土合金   电弧增材制造   沉积速率   微观组织   力学性能  

摘要： 冷金属过渡电弧增材制造（WAAM）是一种新型的快速成形技术，可以用于制造具有复杂形状的高性能结构件。采用冷金属过渡电弧增材制造工艺在不同的沉积速率下制备了GWZ932镁稀土合金单道多层薄壁构件，并研究了沉积速率对试样的成形质量、微观组织和力学性能的影响。结果表明，在其他成形参数一定时，随着沉积速率从4.5mm/s增加到7.5mm/s，沉积层的熔宽和层高均减小。沉积速率增加，晶粒尺寸减小，这是成形过程中热输入量降低，熔池凝固速度加快导致。构件的力学性能随着沉积速率先增加后降低，在6mm/s沉积速率下合金表现出最佳力学性能，屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为161MPa、236MPa和4.5%，力学性能表现出各向同性，断口表现出明显的脆性断裂特征。

关键词： AZ31镁合金   电弧增材制造   温度场、流场数值模拟   力学性能  

摘要： 镁合金是一种储量丰富的轻金属材料,具有密度小、比强度及比刚度高、电磁屏蔽性优良、减震性好等优点,其应用于结构件有助于减轻质量、节约成本,在碳中和大背景下实现绿色发展,在航空航天、汽车制造等领域具有极大的发展潜力。但是,镁活泼的化学性质、室温下较差的塑性变形能力和较高的生产成本制约了镁合金在一些领域和行业的大批量工程化应用。 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是近年来快速发展的制造技术,其制造灵活性高、沉积效率高、零件力学性能良好、制造成本低、安全性好,能适应镁合金结构件制造的需求,已经成为镁合金结构件快速成形工艺。然而,由于电弧增材制造熔融金属层层堆积的成形原理,缺少约束的沉积层易出现塌陷、焊瘤等缺陷,这已经成为镁合金电弧增材制造的卡脖子技术问题。本文以AZ31镁合金丝材为原材料,通过电弧增材试验和数值模拟相结合的方式,对镁合金电弧增材过程进行了研究。以电弧增材试验为基础建立数值模型,对比分析电弧增材过程中温度场;改变堆积方式和层间冷却时间进行实验和数值计算,研究温度场与微观组织和力学性能的变化规律;建立电弧增材制造熔池流场模型,分析熔池中金属液的流动行为。主要结论如下: (1)对于单层沉积而言,起弧端一侧温度较低,随着电弧持续加热,熔池温度升高并在1380℃上下波动。在单道多层沉积过程中,一定层高内基板对沉积层的散热有重要影响,随着层数增加,基板对散热的影响逐渐减小,熔池温度升高并在一定层数后趋向1572℃,此时沉积层达到热平衡; (2)对于单向堆积过程,由于热量在收弧侧的大量积累,单道壁高度自起弧端到收弧端不断降低,并在收弧端出现严重塌陷;对于往复堆积方式,由于电弧往复加热,热量在单道壁中分布均匀,单道壁中央位置高度均匀,仅在两侧出现略微降低。因此,使用往复堆积方式能获得形貌尺寸良好的零件; (3)在一定范围内,延长层间冷却时间可以有效降低下层沉积的初始温度和沉积过程的峰值温度,降低沉积层中的热积累。WAAM-AZ31镁合金组织为全等轴晶,由α-Mg基体、β-Mg17Al12和Al8Mn5相组成,第二相以细小的颗粒状均匀分布于α-Mg基体中。随层间冷却时间延长,沉积层的晶粒细化,材料的硬度和拉伸性能均得到提升。在90 s层间冷却时间下,WAAM-AZ31镁合金的拉伸性能最佳,水平方向和竖直方向的抗拉强度分别为252.8 MPa和247.1 MPa,伸长率分别为24.9%和19.9%; (4)表面张力对金属液流动的影响最大,其次为电弧压力、电磁力和浮力。在综合考虑上述力的作用后,熔池中金属液形成两个环流:表面张力驱动的靠近熔池表面的环流,在表面流动方向为由中心向边缘,而在表面下方则由边缘向中心;表面张力和电弧压力、电磁力驱动的环流靠近熔池底部,其流动方向为由熔池中心向底部,沿液相线回到熔池表面附近,并在熔池表面附近回到熔池中心。