论文总字数：27492字

摘 要

研究生物材料结构、组成、性能或者生物材料形成过程，对研究具有环境友好型的新型材料具有重大意义。气凝胶通常具有优良的功能特征，例如低密度和高表面积。组成不同的气凝胶也具有独特的材料特性，所以，以仿生角度来研究气凝胶的制备与应用是一个可行并且拥有远大前景的研究领域。不仅可以通过控制原材料种类制得对环境无污染且有一定功能的气凝胶，也可以通过仿照生物材料的形成过程改进气凝胶的制备过程， 以此改善气凝胶的性能。三维、多孔的MnO₂基气凝胶是近年来超级电容器研究的一大热点。但是从结构仿生的角度出发，利用其机械性能还有待提高。可用于3D打印的MnO₂基气凝胶结构还鲜见报道，因此，一种成本低廉、操作简单、环保无毒的制备高纯度的石墨烯和超薄二氧化锰纳米片杂化气凝胶的方法亟待开发。综上所述，课题的研究内容为：

通过加入自然界常用的纤维组织物质蚕丝蛋白及纤维素来增强钙基和锰基气凝胶。插入自然纤维素材料来增强钙基和锰基气凝胶材料的弹性、可压缩性等机械性能，同时改善其生物相容性。探讨蚕丝蛋白和纤维素的加入量对钙基和锰基气凝胶的性能的影响及气凝胶的组成机构对流变性能的影响。制备适合增材制造的具有生物相容性的气凝胶墨水。

关键词：3D打印；气凝胶；仿生材料；丝蛋白。

Abstract

Studying the structure, composition, performance of biomaterials or the formation process of biomaterials is of great significance for studying new environmentally friendly materials. Aerogels usually have excellent functional characteristics, such as low density and high surface area. Aerogels with different compositions also have unique material properties. Therefore, it is a feasible and promising research field to study the preparation and application of aerogels from a bionic perspective. Not only can aerogels that are non-polluting and have certain functions are produced by controlling the types of raw materials, but also the aerogel preparation process can be improved by imitating the formation process of biological materials, thereby improving the aerogel performance.Three-dimensional, porous MnO₂-based aerogels have been a hot topic in supercapacitor research in recent years. However, from the perspective of structural bionics, its mechanical properties still need to be improved. The MnO₂-based aerogel structure that can be used for 3D printing is still rarely reported. Therefore, a low-cost, simple operation, environmentally friendly and non-toxic preparation of high-purity graphene and ultra-thin manganese dioxide nanosheet hybrid aerogel Methods need to be developed urgently. In summary, the research contents of the subject are:

The calcium-based and manganese-based aerogels are strengthened by adding silk fibroin and cellulose, which are commonly used in nature. Insert natural cellulose materials to enhance the mechanical properties of calcium-based and manganese-based aerogel materials such as elasticity and compressibility, while improving their biocompatibility. The effects of the addition of silk protein and cellulose on the performance of calcium-based and manganese-based aerogels and the influence of the composition of aerogels on the rheological properties were discussed. Preparation of biocompatible aerogel inks suitable for additive manufacturing.

Key Words：3D printing；Aerogel；Bionic materials；Silk protein

目录

第一章 绪论 1

1.1 仿生材料 1

1.1.1 仿生材料简单介绍 1

1.1.2 仿生材料研究内容 1

1.1.3 仿生材料研究进展 2

1.2 气凝胶技术 4

1.2.1 气凝胶简单介绍 4

1.2.2 气凝胶研究目的与意义 5

1.2.3 气凝胶制备机理 5

1.2.4 气凝胶研究进展 6

1.3 3D打印技术 9

1.3.1 3D打印概述 9

1.3.2 3D打印技术原理 10

1.3.3 3D打印技术研究进展 10

1.4 仿生气凝胶研究进展 12

1.4.1仿生物材料形成过程制备气凝胶 13

1.4.2仿生物材料结构气凝胶 15

1.4.3仿生物材料功能气凝胶 16

1.5 3D打印气凝胶 17

1.5.1 3D打印石墨烯 17

1.5.2 3D打印基于氮化碳的混合气凝胶 20

1.5.3 3D打印纤维素气凝胶 21

1.6 丝蛋白 23

1.6.1 丝蛋白简介 23

1.6.2 丝蛋白研究进展 24

1.7 本课题的研究意义 26

第二章 实验材料与实验仪器 28

2.1 实验试剂及材料 28

2.2 实验仪器 29

2.3 扫描电子显微镜表征原理 29

2.4 X射线粉末衍射仪表征原理 29

2.5 傅里叶变换红外光谱仪表征原理 29

第三章3D打印纳米纤维素气凝胶 31

3.1 实验步骤 31

3.1.1 制备纳米纤维素 31

3.1.2 提纯丝蛋白 31

3.1.3 制备钙基3D打印墨水 31

3.1.4 制备锰基3D打印墨水 32

3.1.5 3D打印气凝胶 32

3.2 材料表征与测试 32

第四章 结论与展望 33

参考文献 34

致谢 36

绪论

1.1 仿生材料

1.1.1 仿生材料简单介绍

在生物种类复杂多样的地球，天然生物本身就是各个自然生物有机或者无机材料的组合体。经过十亿多年的进化选择和突变，生态环境使生物材料具有微观的复合和宏观的完美结构。这些材料利用有限的组成结构拼凑成复杂的多级结构使其拥有丰富多样的功能。例如，荷叶表面，乌龟腿，蜘蛛丝等微观结构具有其独特的功能。人类文明的发展是与材料学科齐头并进的过程，每一次充满跨时代意义的新型材料的问世，都能带动一系列产业发展。使人类的文明发展向前迈出一大步。但是并不是每一次新型材料的问世都能恰好地运用于现实生活，只有将材料学科巧妙地与生命科学结合，通过生命科学给予人类的启示，将材料在结构、组成、功能上尽可能无限贴合现有的生物材料，在不同水平和层次上仿生，这样才能优化制备新型材料，减少能源浪费，实现材料智能化，环境友好化。这其中涵盖了许多的核心科学问题，包括材料与生物的相容性；生物大分子相互作用对细胞行为控制介导与材料设计；能源、信息和物质的传输交换；材料系统的交换等。对于这些科学问题的解答和解决方案，都会对材料学科的发展提供新的方向和指引。并孕育出新的挑战和可能^[1]。

仿生材料是仿生学的重要分支，是指通过模仿生物的特性或特殊性能而开发的材料。

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