论文题目：基于低温等离子体的碳纤维表面改性与蛋白吸附调控
摘要：蛋白质与材料表面相互作用是自然又复杂的过程。不仅受到蛋白自身性质及所处环境的影响,还与材料表面的物理化学性质密切相关。碳纤维由于其较大的比表面积、高导电率、强耐腐蚀性、质量轻、柔性高和较好的生物相容性等,在环境工程、组织工程、生物医疗等领域具有非常广泛的应用。然而碳纤维表面呈化学惰性,限制了其应用。对碳纤维表面的改性修饰是研究的热点。表面改性的方式包括表面氧化、接枝改性、涂层改性等。商用碳纤维大批量处理通常采用强酸氧化法,需要很长的处理时间以及较高的处理条件。等离子体材料表面处理技术因其快捷、高效、环保等优势倍受关注。本文将等离子体材料表面处理技术与酸氧化法相结合,探究其协同作用对碳纤维表面物理、化学性质的影响,以期提高表面改性的效率、降低处理所需条件。通过对具有不同性质的表面蛋白吸附量的研究,实现碳纤维表面的蛋白吸附调控。主要内容如下:1.提出了一种高效的两步法碳纤维表面处理工艺。将等离子体处理和浓硝酸处理相结合,分别表征处理前后碳纤维的表面形貌、化学成分、亲疏水性等表面性能,并对表面蛋白吸附量进行测试,分析等离子体处理、酸处理及等离子体和酸协同处理分别对碳纤维表面的影响及蛋白吸附的影响。研究发现,等离子体和酸氧化协调处理能高效在材料表面引入活性位点和含氧官能团,在材料表面形成结构缺陷。这些结构缺陷能提高表面蛋白的吸附量。其中,等离子体主要起到活化碳纤维表面的作用,促进其与酸溶液的接触而提高酸氧化的效率,缩短处理时间。此工作证明了等离子体和酸的协同处理是碳纤维表面改性的高效处理方式,实现表面活性位点的引入,提高碳纤维的亲水性,以及增强其表面的蛋白吸附量。为碳纤维在组织工程支架、酶固定化载体材料等应用领域打下了良好的基础。2.制备了具有不同表面性质的碳纤维,实现碳纤维表面的可控修饰。分别采用低浓度的硝酸、盐酸、醋酸,在等离子体的协助下处理碳纤维,研究了不同酸与等离子体协同处理对碳纤维表面的不同影响。通过表征其表面形貌、比表面积、化学成分、表面能等性质的变化,分析两步法中酸处理的作用。研究发现,在等离子体的协助处理下,低浓度的硝酸、盐酸也能提高纤维的表面粗糙度,增加比表面积,而醋酸对表面没有显著影响。等离子体能促进硝酸和醋酸对表面的氧化作用,在表面引入丰富而大量的C-O,C=O,COOH等含氧官能团。含氧官能团的引入能提高碳纤维的表面能,增强表面润湿性。因此,通过使用不同的酸与等离子体协同处理对碳纤维表面进行可控修饰改性。3.实现了改性碳纤维的表面蛋白吸附调控。蛋白在材料表面的吸附与材料性质密切相关,通过制备具有不同表面性能的碳纤维,对表面蛋白吸附进行测试,分析表面粗糙度、化学成分、亲疏水性、表面能等因素对蛋白吸附的影响。研究发现,粗糙表面为蛋白吸附提供了附着位点,从而增强了蛋白吸附。而表面羧基、羰基等含氧官能团的引入对蛋白有静电排斥作用,从而降低表面蛋白吸附。亲水表面及表面能高的表面有助于降低蛋白吸附。因此等离子体处理和醋酸的协同作用能高效降低表面蛋白吸附,提高碳纤维的生物相容性。综合材料表面蛋白吸附的影响因素,通过调控表面物理、化学性质,可实现材料表面可控蛋白吸附,为生物材料表面改性等提供了理论基础。
关键词：低温等离子体;碳纤维改性;表面亲水改性;蛋白吸附
学科专业：材料工程（专业学位）
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 材料与蛋白的相互作用
1.2 影响材料表面蛋白质吸附的因素
1.2.1 蛋白质自身性质与生物环境
1.2.2 表面结构形貌
1.2.3 表面化学组成
1.2.4 表面电荷
1.2.5 表面亲疏水性
1.3 碳纤维表面改性方法
1.3.1 氧化改性
1.3.2 接枝聚合
1.3.3 涂覆改性
1.4 低温等离子体表面改性技术
1.4.1 低温等离子体材料表面改性概述
1.4.2 低温等离子材料表面改性的应用
1.5 研究目的与研究内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
第2章 实验部分
2.1 实验试剂
2.2 实验设备
2.3 等离子体发生器设备
2.4 表面性能测试
2.4.1 扫描电子显微镜检测(SEM)
2.4.2 X射线光电子能谱技术(XPS)
2.4.3 傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)
2.4.4 静态水接触角
2.4.5 蛋白吸附测试
第3章 低温等离子体表面亲水增强蛋白吸附调控
3.1 引言
3.2 实验方法与内容
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 表面形貌分析
3.3.2 表面元素及功能基团分析
3.3.3 润湿性与时效性
3.3.4 蛋白吸附性能调控
3.4 原理分析
3.5 本章小结
第4章 低温等离子体表面亲水抗蛋白吸附调控
4.1 引言
4.2 实验方法与内容
4.3 实验结果与讨论
4.3.1 表面形貌分析
4.3.2 表面元素及功能基团分析
4.3.3 润湿性与表面自由能
4.3.4 蛋白吸附性能调控
4.4 原理分析
4.5 本章小结
第5章 结论
参考文献
致谢
作者简历