CN115230270A - 一种双响应高效生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用 - Google Patents

一种双响应高效生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用，包括光热响应层和功能净化层，本发明采用普通的去离子水即可激发凝胶的自愈合功能。本发明制备的生物基复合水凝胶体系可分别对近红外光和太阳光产生光热效应，具备双响应功能。本发明制备的生物基复合水凝胶集多种功能于一体，自愈合功能有效保证了机械性能和力学强度，吸附功能可以有效处理有机染料、重金属离子、挥发性化合物、抗菌抗辐射，内部多尺度微结构可以有效支撑结构稳定性。本发明以生物可降解的聚乙烯醇作为水凝胶的基体材料，复合以生物相容性的纳米材料和生物活性物质，更加安全、环保、有效，易于工业生产和大规模应用。

Description

一种双响应高效生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种双响应高效生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用。
背景技术
全球对能源短缺和资源安全的关注，因此制定了可持续利用有限资源，特别是水资源的战略。以可持续和环境友好的方式利用水非常重要。在用于水资源净化和管理的节能系统中，太阳能水蒸发实现海水淡化和净化的前景非常广阔。先进材料制造极大地促进了资源开发和回收利用的发展。这一过程的完成有赖于新型材料的开发。在目前提出的这些水凝胶中，水凝胶具有高度可调节的物理和化学性质和形态，在许多领域显示出巨大的潜力。水凝胶蒸发器为水的蒸发和净化提供了一种可行的技术。Yu等人设计了一种具有自清洁功能的混合水凝胶蒸发器，用于太阳能收集和水蒸发。Gao等人报告了将广盐聚合物水凝胶用于海水蒸发的情况。尽管太阳能水蒸发材料的研究取得了很大进展，但蒸发效率低和耐久性差仍然存在问题。
水凝胶的框架高度可定制。通过适当的设计，材料可以获得各种优异的性能。太阳能高效利用的核心在于光热材料的使用。水凝胶的光热效应可以完全吸收环境光能并将其转化为热能，为水分蒸发提供有效的能量。常用的光热剂包括半导体材料、吸光聚合物、碳基材料和金属氧化物。然而，光热剂的不均匀分散会导致光热转换效率低，扩散通道堵塞，使用成本增加，从而削弱水凝胶的蒸发效率和机械强度。需要更有效的物理或化学策略来增强光热转换，以克服上述问题。此外，水凝胶的磨损和破坏经常发生在海水淡化、净化和其他处理过程中。因此，开发一种环境响应型自愈水凝胶非常重要，它具有足够的稳定性和机械强度，以确保使用的可靠性和可持续性。通过引入合适的光热剂和功能添加剂，调节水凝胶内部的多尺度微观结构，构建水传输和盐扩散通道，我们设计了一种综合性能优异的多功能水凝胶，以实现水资源的有效利用。
在自然界中，许多植物具有天然的净水和自愈能力，这对它们的生长和生存至关重要。鉴于此，对生物相容性优异的聚乙烯醇(PVA)水凝胶进行了仿生材料探索和研究。Geng等人利用由聚水凝胶和氧化石墨烯制成的人造植物叶子制备了一种阳光驱动的净水器。然而，水凝胶基质不可避免地受到破坏，无法像天然植物那样自我修复。
受盐地碱蓬和其他植物的结构特点和耐盐成分的启发，本文提出一种由光热响应层水凝胶和功能净化层水凝胶组成的新型仿生水凝胶。
发明内容
本发明提供了一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系及制备方法和应用，由光热响应层水凝胶和功能净化层水凝胶组成，能够实现在协同光热和自愈功能下高效稳定的海水净化。由于纳米结构和聚合物链之间的物理或共价关系，光热层水凝胶在环境中的相互作用和性能得到了改善。
具体的，本发明公开一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，包括光热响应层和功能净化层，所述光热响应层采用适量聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合制成，所述功能净化层采用适量聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合制成。
优选的是，所述生物基复合水凝胶体系是由厚度分别为3-8mm的光热响应层和12-20mm的功能净化层，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为15-28mm的复合水凝胶体系。
上述任一方案中优选的是，所述生物基复合水凝胶体系是由厚度分别为3mm的光热响应层和12mm的功能净化层，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为15mm的复合水凝胶体系。
上述任一方案中优选的是，所述生物基复合水凝胶体系是由厚度分别为5mm的光热响应层和15mm的功能净化层，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为20mm的复合水凝胶体系。
上述任一方案中优选的是，所述生物基复合水凝胶体系是由厚度分别为8mm的光热响应层和20mm的功能净化层，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为28mm的复合水凝胶体系。
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000021
Figure BDA0003803943200000031
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000032
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000033
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000034
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000035
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000036
Figure BDA0003803943200000041
上述任一方案中优选的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000042
上述任一方案中优选的是，所述磁性纳米粒子为含铁、钴、镍以及稀土金属离子的纳米粒子，粒径10～100nm。
上述任一方案中优选的是，所述导电导热剂为生物质碳点、纳米多孔碳、富勒烯材料中的一种或多种，要求具有高分散性。
功能净化层水凝胶主要用作水的纯化。上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000043
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000044
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000045
Figure BDA0003803943200000051
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000052
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000053
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000054
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000055
上述任一方案中优选的是，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000061
上述任一方案中优选的是，所述天然生物分子为多糖类、多酚类、蛋白质类中的至少一种，所述多糖类包括纤维素、索拉胶、瓜尔胶、黄原胶中的至少一种，多酚类包括茶多酚、芒果苷、原花青素、槲皮素中的至少一种，蛋白质类包括明胶、多肽、酪蛋白中的至少一种。添加少量天然生物分子(多糖、多酚、蛋白质等)可改善PVA混合凝胶的机械性能和生物功能。低聚原花青素(OPC)是一种具有特殊分子结构的生物类黄酮，由多羟基和2-苯并吡喃苯基骨架组成；广泛用作交联剂、化学抗癌剂和抗菌剂。
上述任一方案中优选的是，所述MOF/COF材料材料包括MOF5、MOF177、ZIF7、ZIF8、ZIF11、MIL-101、COF1、COF5、COF102、COF103有机框架材料中的至少一种。
本发明还公开一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将适量聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合，升温，超声搅拌混合物，直到获得凝胶状混合物；
(2)、将Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到步骤(1)获得的凝胶状混合物中，均匀搅拌；
(3)、将混合物取出，利用模具填压成型，并进行多次冷冻/解冻处理获得光热响应层；
(4)、将适量聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合，升温，搅拌混合物，直到获得凝胶状混合物；
(5)、将Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到步骤(4)获得的凝胶状混合物中，均匀搅拌；
(6)、将混合物取出，利用模具填压成型，并进行多次冷冻/解冻处理获得功能净化层；
(7)、利用水喷雾促进愈合的方法黏合光热响应层和功能净化层，获得复合水凝胶体系。
优选的是，所述步骤(1)中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000071
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)和步骤(4)中，原料混合后，升温速率为3℃/min，将温度升高至90℃，并在此温度下600-1200W超声搅拌400rad/min，混合物30min。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)和步骤(5)，将浓度为0.04M的Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到凝胶状混合物中，在95℃均匀搅拌，800rad/min，搅拌30min。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇与步骤(2)中的Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:2～6。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇与步骤(2)中的Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:2。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇与步骤(2)中的Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:4。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇与步骤(2)中的Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:6。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇(PVA)与步骤(2)或步骤(5)中的琼脂糖质量比为8～20:1。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇(PVA)与步骤(2)或步骤(5)中的琼脂糖质量比为8:1。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇(PVA)与步骤(2)或步骤(5)中的琼脂糖质量比为14:1。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中的聚乙烯醇(PVA)与步骤(2)或步骤(5)中的琼脂糖质量比为20:1。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)和步骤(6)中，在-20℃以下冷冻0.5～3h，然后在室温下解冻4～8h，冷冻/解冻程序进行1～3次以获得光热响应层。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000081
上述任一方案中优选的是，所述步骤(7)中光热响应层厚度为5mm，功能净化层厚度为15mm，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为20mm的复合水凝胶体系。
本发明还公开上述方法制备的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系用于水资源的淡化、净化领域。
有益效果
本申请了公开了双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系及其制备方法：
(1)本发明采用普通的去离子水即可激发凝胶的自愈合功能，方法简单有效，效果明显。
(2)本发明制备的生物基复合水凝胶体系可分别对近红外光和太阳光产生光热效应，具备双响应功能。
(3)本发明制备的生物基复合水凝胶集多种功能于一体，自愈合功能有效保证了机械性能和力学强度，吸附功能可以有效处理有机染料、重金属离子、挥发性化合物、抗菌抗辐射，内部多尺度微结构可以有效支撑结构稳定性。
(4)本发明以生物可降解的聚乙烯醇作为水凝胶的基体材料，复合以生物相容性的纳米材料和生物活性物质，更加安全、环保、有效，易于工业生产和大规模应用。
附图说明
图1为本发明所制备的具备水促自愈合性能的水凝胶；
图2为本发明所制备的光热响应层，具备优异的光热转换和光热愈合性能；
图3为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系在水资源淡化、净化领域应用原理图；
图4为受盐地碱蓬的结构特点与本发明的原理图；
图5为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系分阶段海水蒸发淡化效果；
图6为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系分阶段蒸发温度海水温度随时间变化曲线；
图7为不同净化时间双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系吸附有机染料效果；
图8为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系重复利用净化有机染料效果(1，2，3，4次)；
图9为自然放置的没有处理的有机染料紫外吸收光谱图；
图10为本申请的复合水凝胶体系吸附处理有机染料效果的紫外吸收光谱图；
图11为复合水凝胶体系对铜离子的吸附处理效果；
图12为复合水凝胶体系对铜、铅、镉、铬离子的吸附处理效果；
图13为复合水凝胶体系对大肠杆菌抑制率。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
具体实施例1
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，如图4所示，受盐地碱蓬和其他植物的结构特点和耐盐成分的启发。本发明包括光热响应层和功能净化层，所述光热响应层采用适量聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合制成，所述功能净化层采用适量聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合制成。
具体制备方法包括以下步骤：
(1)光热响应层的制备：光热响应层将光能转化成热能，提供蒸发热量。
制备时，首先将适量聚乙烯醇(PVA)、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合。其中，聚乙烯醇(PVA)、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000101
上述磁性纳米粒子为含铁、钴、镍以及稀土金属离子的纳米粒子，粒径10～100nm，表面修饰羟基、氨基等多功能性基团，具有良好的分散性。
导电导热剂为生物质碳点、纳米多孔碳、富勒烯等材料中的一种或多种，要求具有高分散性。
然后，将温度升高至90℃(3℃/min)，并在此温度下超声(600-1200W)搅拌(400rad/min)混合物30min，直到获得凝胶状混合物。然后，将浓度为0.04M的Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到凝胶状混合物中，在95℃均匀搅拌(800rad/min)30min。上述聚乙烯醇(PVA)与Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:4。上述聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为14:1。
将混合物取出，利用模具填压成型，并进行冷冻/解冻处理，即在-20℃以下冷冻0.5～3h，然后在室温下解冻4～8h。冷冻/解冻程序进行了1～3次以获得光热响应层水凝胶。图2为本发明所制备的光热响应层，具备优异的光热转换和光热愈合性能。
(2)功能净化层的制备：功能净化层能够吸附去除水中的有机污染物、重金属离子、挥发性化合物、抗菌抗辐射。
将适量聚乙烯醇(PVA)、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合。聚乙烯醇(PVA)、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000111
上述天然生物分子包括纤维素、索拉胶、瓜尔胶、黄原胶等多糖类，茶多酚、芒果苷、原花青素、槲皮素等多酚类，明胶、多肽、酪蛋白等蛋白质类。MOF/COF材料材料包括MOF5、MOF177、ZIF7、ZIF8、ZIF11、MIL-101、COF1、COF5、COF102、COF103等具有优异吸附性能的有机框架材料。
然后，将温度升高至90℃(升温速率为3℃/min)，并在此温度下搅拌(400rad/min)混合物30min，直到获得凝胶状混合物。然后，将浓度为0.04M的Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖(聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为8～20:1)直接加入到凝胶状混合物中，在95℃均匀搅拌(800rad/min)30min。将混合物取出，利用模具填压成型，并进行冷冻/解冻处理，即在-20℃下冷冻0.5～3h，然后在室温下解冻4～8h。冷冻/解冻程序进行了1～3次以获得净化层水凝胶。
(3)制备双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系
生物基复合水凝胶体系是由厚度分别为5mm的光热响应层水凝胶和15mm的净化层水凝胶，利用水喷雾促进愈合的方法黏合成厚度为20mm的复合水凝胶体系。本方法通过水作为促发自愈合介质，自主装多层可控水凝胶系统。本发明所制备的具备水促自愈合性能的水凝胶如图1所示，能够用于水资源淡化、净化等领域，
双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系在水资源淡化、净化领域应用原理图如图3所示。图5为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系分阶段海水蒸发淡化效果；(a)第一阶段20ml蒸发前；(b)第一阶段20mL蒸发(c)第二阶段20ml蒸发前；(d)第二阶段20mL蒸发后，本发明采用分阶段蒸发法，集中局部能量，为海水蒸发提供动力，提高蒸发效率；图6为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系分阶段蒸发温度海水温度随时间变化曲线。图7为不同净化时间双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系吸附有机染料效果；图8为双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系重复利用净化有机染料效果(1，2，3，4次)。
本发明通过简单的磁辅助构造，合理地控制光能的空间分布，改善凝胶表面的产热局部化，将磁性纳米粒子主导光热效应的光热响应层水凝胶的使用量减少到复合水凝胶体系的四分之一，将光能集中在复合水凝胶的上表层，显著减少磁性纳米粒子和导电导热剂的用量，实现光能的高效利用。
利用天然生物分子提供的过量羟基形成氢键和螯合键，以及有机框架材料的高比表面积微孔网络结构，可有效地去除有机污染物、重金属离子、挥发性化合物、抗菌抗辐射。在凝胶化过程中，利用不同的模具调节水凝胶的形状和尺寸，可以很容易地放大生物基复合水凝胶体系。
吸附试验如下：
图9为自然放置的没有处理的有机染料紫外吸收光谱图；本申请的复合水凝胶体系吸附处理有机染料效果的紫外吸收光谱图如图10所示；有机染料的紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱表明，亚甲基蓝在664nm处的吸收峰在吸附后降低，并在284nm处出现新的吸收峰，而自然储存的亚甲基蓝溶液除664nm处的吸光度值略有降低外，没有显著变化。这些结果表明，水凝胶复合材料对水中的有机染料表现出良好的吸附行为。
图11为复合水凝胶体系对铜离子的吸附处理效果，随着吸附处理时间的延长，铜离子浓度显著下降。图12为复合水凝胶体系对铜、铅、镉、铬离子的吸附60min处理效果，吸附处理后，铜、铅、镉、铬离子的浓度显著降低。
抑菌试验如下：
(1)将净化层水凝胶在紫外灯下灭菌5min，放置于培养皿中；(2)在水凝胶表面接种200μL大肠杆菌悬液(浓度106CFU/mL)；(3)将培养皿在37℃下培养24h；(4)用20mL生理盐水将水凝胶上的菌液洗脱下来，进行涡轮混匀；(5)吸取1mL菌液垂直滴加在3M测试片中央处，轻轻压下，使样液均匀覆盖于圆形培养面积上，静置至少1min使培养基凝固，37℃培养24h后采用平板计数法计算水凝胶表面活菌数；(6)以纯大肠杆菌溶液作为对照，抑菌率＝(纯大肠杆菌活菌数-水凝胶表面活菌数)/纯大肠杆菌活菌数×100％，复合水凝胶体系对大肠杆菌抑制率结果如图13所示，96小时大肠杆菌抑制率最高达66％。
上述实验结果也进一步证明了本发明制备的生物基复合水凝胶，吸附功能可以有效处理有机染料、重金属离子、挥发性化合物、抗菌抗辐射等。
本发明还进行了多组对比实验，部分试验如下：
表1不同海水蒸发淡化对比
Figure BDA0003803943200000131
Figure BDA0003803943200000141
通过上述实验可知，本申请制备的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，具有优异的最高蒸发速率和最快蒸发升温速率。
实施例2
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000142
实施例3
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000143
实施例4
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000144
实施例5
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000151
实施例6
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000152
实施例7
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000153
实施例8
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000154
Figure BDA0003803943200000161
实施例9
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure BDA0003803943200000162
实施例10
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:2。
实施例11
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:6。
实施例12
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为8:1。
实施例13
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为10:1。
实施例14
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为16:1。
实施例15
一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，和实施例1相似，不同的是，聚乙烯醇(PVA)与琼脂糖质量比为20:1。
本申请了公开了双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系及其制备方法，添加少量天然生物分子(多糖、多酚、蛋白质等)可改善PVA混合凝胶的机械性能和生物功能。低聚原花青素(OPC)是一种具有特殊分子结构的生物类黄酮，由多羟基和2-苯并吡喃苯基骨架组成；广泛用作交联剂、化学抗癌剂和抗菌剂。净化层水凝胶主要用作水的纯化。低能耗，该系统对阳光和近红外(NIR)光都有响应，并获得了具有水促进愈合能力的净水功能。同时，采用分阶段蒸发法，集中局部能量，为海水蒸发提供动力，提高蒸发效率。通过将光热和自愈功能集成到具有多尺度微观结构的仿生水凝胶中，水凝胶复合蒸发系统在近红外照明下达到了3.0kg m-2h-1的海水净化效率。为合理设计用于高效太阳能转换和海水净化的多功能水凝胶铺平了道路。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。以上实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，其特征在于，包括光热响应层和功能净化层，所述光热响应层采用适量聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合制成，所述功能净化层采用适量聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合制成。
2.权利要求1所述的一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，其特征在于，所述光热响应层中聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水的质量百分比如下：
Figure FDA0003803943190000011
3.权利要求1所述的一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，其特征在于，所述功能净化层中聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水的质量百分比如下：
Figure FDA0003803943190000012
4.权利要求1所述的一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，其特征在于，所述天然生物分子为多糖类、多酚类、蛋白质类中的至少一种，所述多糖类包括纤维素、索拉胶、瓜尔胶、黄原胶中的至少一种，多酚类包括茶多酚、芒果苷、原花青素、槲皮素中的至少一种，蛋白质类包括明胶、多肽、酪蛋白中的至少一种。
5.权利要求1所述的一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系，其特征在于，所述MOF/COF材料材料包括MOF5、MOF177、ZIF7、ZIF8、ZIF11、MIL-101、COF1、COF5、COF102、COF103有机框架材料中的至少一种。
6.一种双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将适量聚乙烯醇、磁性纳米粒子、导电导热剂与去离子水混合，升温，超声搅拌混合物，直到获得凝胶状混合物；
(2)、将Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到步骤(1)获得的凝胶状混合物中，均匀搅拌；
(3)、将混合物取出，利用模具填压成型，并进行多次冷冻/解冻处理获得光热响应层；
(4)、将适量聚乙烯醇、天然生物分子、MOF/COF材料与去离子水混合，升温，搅拌混合物，直到获得凝胶状混合物；
(5)、将Na2B4O7·10H2O溶液和琼脂糖直接加入到步骤(4)获得的凝胶状混合物中，均匀搅拌；
(6)、将混合物取出，利用模具填压成型，并进行多次冷冻/解冻处理获得功能净化层；
(7)、利用水喷雾促进愈合的方法黏合光热响应层和功能净化层，获得复合水凝胶体系。
7.根据权利要求6所述的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的聚乙烯醇与步骤(2)中的Na2B4O7·10H2O溶液质量比为1:2～6。
8.根据权利要求6所述的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的聚乙烯醇(PVA)与步骤(2)或步骤(5)中的琼脂糖质量比为8～20:1。
9.根据权利要求6所述的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和步骤(6)中，在-20℃以下冷冻0.5～3h，然后在室温下解冻4～8h，冷冻/解冻程序进行1～3次以获得光热响应层。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法制备的双响应高效自愈合生物基复合水凝胶体系用于水资源的淡化、净化领域。
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