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基于Hofmeister效应制备高强韧壳聚糖气凝胶

作者:张珂 张茜 方宇嘉 蔡杰来源:《高分子学报》日期:2023-05-22人气:1031

气凝胶是一类具有高比表面积、低密度和超低热导率(低至12 mW·m-1·K-1)的多孔材料,被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)列为2022年度化学领域十大新兴技术之一[1,2]. 气凝胶的首次报道可以追溯到1931年[3],由于它们在隔热保温[4]、声绝缘体[5]、催化剂载体[6]、超级电容器[7]、药物输送系统[8]、分离和吸附[9]等各个领域的潜在应用,已得到广泛研究. 然而,由于无机气凝胶力学性能差,有机气凝胶耐热性较低,不具备生物相容性和生物降解性,限制其使用范围.

天然高分子气凝胶是最早研究的气凝胶之一,但直到近二十年才重新受到重视. 由于天然高分子具有优异的生物可再生性、生物相容性和生物可降解性,天然高分子气凝胶的研究集中在保温、过滤、油水分离、二氧化碳吸附、药物传递和伤口愈合等方面[10,11]. 壳聚糖是将节肢动物角质层、鱿鱼软骨、硅藻和真菌中提取的甲壳素在强碱或酶的作用下通过脱乙酰化得到,由β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖和β-(1→4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖组成的线性高分子,具有优异的广谱抗菌性、生物相容性和生物可降解性.而且,壳聚糖分子链上的氨基为化学修饰以及金属离子配位提供了许多可能性. 目前已经报道的壳聚糖气凝胶材料主要是通过传统醋酸法制备,但是强度较弱[12~14]. 尽管离子液体如1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐也可以溶解壳聚糖,但是壳聚糖气凝胶的研究很少[15]. Hofmeister效应(离子特异性效应)是由Franz Hofmeister在1888年首次提出,反映了不同的盐在水溶液中诱导蛋白质变性、影响蛋白质溶解度等性质的差异. 这种离子特异性效应已广泛用于调节溶液表面张力[16]、增强酶活性[17]、胶体组装[18]和传感技术[19]等诸多领域. 最近也有多项研究利用Hofmeister效应来提高聚乙烯醇、聚异腈明胶等高分子水凝胶的力学性能[20~24]. 然而,利用绿色技术和Hofmeister效应制备高强韧壳聚糖气凝胶仍然面临巨大的挑战.

前期工作中,我们通过对纤维素和甲壳素纳米纤维网络结构的调控,建立了纤维素和甲壳素气凝胶合成新方法[25~27]. 同时,将纳米孔纤维素凝胶作为还原剂和载体,制备出纤维素/贵金属纳米粒子复合气凝胶[28]、纤维素/SiO2复合气凝胶[29]和纤维素/聚吡咯复合气凝胶[30]. 本工作中,我们从课题组开发的壳聚糖新溶剂出发,利用Hofmeister效应调控壳聚糖分子链的侧向聚集和重结晶,进而影响壳聚糖气凝胶的微观形貌、孔隙结构和力学性能等物理性质,构建出高强韧壳聚糖气凝胶. 壳聚糖气凝胶的比表面积达到410 m2/g,拉伸强度、杨氏模量和断裂功可达(23.1±0.4) MPa、(198.0±43.8) MPa和(9.6±0.9) MJ/m3. 这种简单策略也可用于制备其他高强韧天然高分子气凝胶,有望将天然高分子气凝胶的应用领域扩展到对力学性能、生物相容性和生物降解性等有要求的可植入式柔性电子器件、能源转化和储存、生物材料和环境友好材料等领域,提供比其他可用替代品更环保的解决方案.

1 实验部分

1.1 材料

原料虾壳购自浙江金壳生物化学有限公司,并按照我们先前报道的方法进行纯化[31]. 具体方法如下:将虾壳分散到0.1 mol/L的NaOH水溶液中室温搅拌24 h除去蛋白质,然后用去离子水洗净后分散在0.1 mol/L的HCl水溶液中室温搅拌24 h除去矿物质,再次用去离子水洗净. 上述过程重复2次后将处理后的样品分散在0.3 wt% NaClO2水溶液中,调节pH为4,在80 ℃加热3小时进行氧化脱色后,用去离子水洗至中性,60 ℃干燥后得到白色的纯化甲壳素原料. 纯化后的甲壳素在60 wt% KOH水溶液中80 ℃下脱乙酰化1 h,去离子水洗至中性后在60 ℃下烘干得到脱乙酰度为70%的壳聚糖. 所有化学试剂均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司(上海,中国).

1.2 凝固浴的制备

以K+和Cl-分别作为阳离子和阴离子,制备0.8 mol/L的阴离子系列盐溶液(K2SO4、K2CO3、KAc、KCl和KNO3水溶液)以及5.0 mol/L的阳离子系列盐溶液(KCl、NaCl、MgCl2和CaCl2水溶液),将盐溶液加热至40 ℃作为壳聚糖溶液的凝固浴.

1.3 壳聚糖气凝胶的制备

将壳聚糖溶解在16 wt%的KOH水溶液中,5 ℃下离心脱泡得到壳聚糖溶液[32~34]. 采用流延法,将壳聚糖溶液平铺在玻璃板上,液膜厚度为1 mm,随后浸入不同盐的凝固浴中再生30 min,得到壳聚糖盐凝胶. 用去离子水除去壳聚糖盐凝胶中的化学试剂,得到厚度约为0.6 mm的壳聚糖水凝胶. 将壳聚糖水凝胶利用无水乙醇梯度置换得到壳聚糖醇凝胶,然后利用超临界CO2干燥方法将壳聚糖醇凝胶在临界点干燥仪(Tousimis Samdri-PVT-3D,美国)中制备壳聚糖气凝胶. 壳聚糖溶液的浓度为2.5 wt%~7 wt%. 如无特殊说明,壳聚糖溶液的浓度为7 wt%.

1.4 表征

壳聚糖气凝胶试样的内部和表面形貌通过场发射扫描电子显微镜(Zeiss sigma SEM,德国)进行观察,测试前在试样表面喷镀金膜以提高导电性.

壳聚糖水凝胶和气凝胶试样的广角X-射线衍射(WAXD)曲线通过X-射线衍射仪(Rigaku SmartLab9000,日本)获得. 壳聚糖水凝胶试样放置于含有凹槽的测试台上,X-射线衍射仪自动矫正水凝胶高度. 壳聚糖气凝胶试样在测试前剪成粉末以消除结晶取向造成的影响. X-射线源为CuKα (λ = 0.154 nm),测试电压为45 kV,测试电流为200 mA. 其中,壳聚糖水凝胶试样的扫描范围为5°~60°,气凝胶试样的扫描范围为5°~35°,扫描速率为5 (°)/min,步长为0.01°.

壳聚糖水凝胶和气凝胶试样的力学性能通过万能材料试验机(MTS/SANS CMT6503,中国)进行测量. 水凝胶试样的拉伸速率为10 mm/min,气凝胶试样的拉伸速率为2 mm/min. 试样的杨氏模量通过应力-应变曲线的初始线性区域计算得到,断裂功从应力-应变曲线下的积分面积得到. 所有样品至少经过8次测试.

壳聚糖气凝胶试样的孔结构参数用比表面及孔径分析仪(Micromeritics ASAP 2020,美国)测定. 试样预先在363 K、13.3 Pa的条件下脱气6 h,脱气后的壳聚糖气凝胶在77 K下以0.05~0.3的相对蒸汽压进行比表面积分析. 通过氮气吸附等温线结合Brunauer-Emmett-Teller (BET)方程得到气凝胶试样的比表面积(SBET),由P/P0 = 0.99处的吸附量得到孔体积,孔尺寸分布通过Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法从脱附曲线得到.

壳聚糖气凝胶试样的密度通过公式(1)计算:

ρ=mV

(1)

其中m为气凝胶的质量,V为气凝胶的体积.

气凝胶试样的孔隙率计算公式如下:

Pr=(1−ρρc)×100

(2)

其中ρ为壳聚糖气凝胶的密度,ρc为壳聚糖的理论密度1.463 g/cm3[35].

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖气凝胶的合成

图1(a)示出以KOH水溶液为壳聚糖溶剂,以盐溶液为凝固浴制备壳聚糖气凝胶的示意图. 将壳聚糖(图1(b))溶解于KOH水溶液中得到透明的黏性壳聚糖溶液(图1(c)). 壳聚糖分子链在盐析作用下发生侧向聚集和重结晶形成壳聚糖纳米纤维和壳聚糖结晶水合物,这些壳聚糖纳米纤维相互缠结形成具有三维网络结构的透明壳聚糖水凝胶(图1(d)). 壳聚糖水凝胶中的水经过梯度置换得到壳聚糖醇凝胶,随后采用超临界CO2干燥处理得到白色的轻质壳聚糖气凝胶(图1(e)). 壳聚糖气凝胶可以弯曲而不破裂,表现出良好的柔韧性(图1(f)). 同时,壳聚糖气凝胶还具有优异的力学性能,宽度为5 mm,厚0. 5 mm的壳聚糖气凝胶就可以在竖直方向上拉起1 kg的砝码而不发生断裂(图1(g)).


  


Fig. 1  (a) Schematic of the preparation of chitosan aerogels. Photographs of chitosan powder (b), chitosan solution (c), chitosan hydrogel (d), and chitosan aerogel (e). Photographs showing the flexibility of the chitosan aerogels (f), and high strength of the chitosan hydrogel (5 mm width and 0.5 mm thickness) (g).


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为了系统地研究不同盐溶液中阴离子和阳离子对壳聚糖气凝胶结构和性能的影响,我们根据Hofmeister序列选择了一系列钾盐和氯盐作为凝固浴制备壳聚糖水凝胶和气凝胶. 由于盐析效应,壳聚糖水凝胶的体积减小到约为液膜体积的60%,水含量介于90%~93%之间. 经过溶剂置换和临界点干燥后,壳聚糖气凝胶保持了它们的初始形状,体积减小到初始液膜体积的50%左右,孔隙率介于64%~80%之间. 降低壳聚糖溶液的浓度会导致壳聚糖水凝胶和气凝胶强度变弱,低于4 wt%的壳聚糖溶液制备的壳聚糖水凝胶容易破裂,得到的壳聚糖气凝胶易变形.

2.2 壳聚糖气凝胶的微观形貌

采用扫描电子显微镜(SEM)研究了不同盐溶液中阴离子和阳离子对壳聚糖气凝胶微观形貌的影响(图2). 壳聚糖气凝胶显示出相互连接的纳米纤维组成的三维纳米网络结构,纳米纤维的直径为10~24 nm.气凝胶的表面具有疏松的微纳孔网络结构,内部则显示出均匀的纳米孔网络结构. 这是因为,在壳聚糖凝胶的形成过程中,溶剂和盐溶液相互扩散导致壳聚糖溶液表面的相分离. 随着溶剂的扩散,壳聚糖相浓度增加,内部逐渐凝固再生,形成更加致密的网络结构[33]. 值得注意的是,阴离子系列中不同盐溶液对壳聚糖气凝胶微观形貌的影响呈现出明显的规律性(图2(a)~2(j)). 从K2SO4水溶液中再生的壳聚糖气凝胶的表面和截面形貌更加均匀,孔尺寸更小(图2(a)). 从K2CO3、KAc、KCl水溶液中再生的壳聚糖气凝胶表面逐渐出现不均匀的形貌,且从Hofmeister序列右侧的KNO3水溶液中再生的壳聚糖气凝胶表面出现球形聚集体和微米尺寸的大孔(图2(b)~2(e)). 壳聚糖气凝胶的内部都显示出均匀的纳米孔网络结构,并且随着阴离子水合能力减小[36],所得到的壳聚糖气凝胶的孔尺寸依照K2SO4 ((34±6.3) nm) < K2CO3 ((40±2.8) nm) < KAc ((43±8.2) nm) < KCl ((46±8.2) nm) < KNO3 ((80±15.6) nm)的顺序逐渐增加 (图2(f)~2(j)). 这些结果说明,Hofmeister序列影响了壳聚糖气凝胶的微观结构. 这些现象可以通过离子与壳聚糖分子链及水分子的相互作用来解释[37]. 首先,亲液性阴离子与水的直接相互作用使相邻壳聚糖链周围的水分子极化,从而削弱了水分子与壳聚糖分子链之间的氢键作用,产生盐析效应. 其次,壳聚糖分子链上存在疏水区,阴离子可以通过增加壳聚糖分子链周围的表面张力,影响壳聚糖分子链之间的疏水作用. 相比之下,离液阴离子可以和壳聚糖分子链的羟基和乙酰氨基部分直接结合,增加了壳聚糖分子链上的电荷,产生盐溶效应. 在Hofmeister序列的阴离子中,SO42-、CO32-等阴离子水合能力强,导致壳聚糖分子链通过氢键和疏水作用发生侧向聚集,形成壳聚糖纳米纤维和纳米孔网络结构. 而NO3-水合能力差,更多地与壳聚糖分子链上的羟基和乙酰氨基部分结合,影响了壳聚糖分子链的自组装行为,导致壳聚糖气凝胶表现出疏松、大孔且不连续的网络结构.


  


Fig. 2  SEM images of the surfaces (a-e) and cross sections (f-j) of chitosan aerogels prepared with different anions-series: (a, f) K2SO4, (b, g) K2CO3, (c, h) KAc, (d, i) KCl, and (e, j) KNO3, respectively. SEM images of the surfaces (k-n) and cross sections (p-s) of chitosan aerogels prepared with different cations-series: (k, p) KCl, (l, q) NaCl, (m, r) MgCl2, and (n, s) CaCl2, respectively. SEM images of the surfaces (o) and cross sections (t) of chitosan aerogels prepared from 4 wt% chitosan concentration. The scale bars are 1 μm.


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阳离子系列中不同盐溶液对壳聚糖气凝胶微观形貌的影响同样呈现出明显的规律性(图2(k)~2(n)和2(p)~2(s)). 从不同阳离子盐溶液中得到的壳聚糖气凝胶的孔尺寸分别依照KCl<NaCl<MgCl2<CaCl2的顺序逐渐增大,说明阳离子对壳聚糖气凝胶孔隙结构的影响同样遵循Hofmeister序列. 值得注意的是,由于阳离子系列中盐浓度更高,进一步增强了盐析作用,与低浓度KCl水溶液相比(图2(d)和2(i)),从高浓度KCl水溶液中再生得到的壳聚糖气凝胶结构更加均匀,孔尺寸更小(图2(k)和2(p)). 为了探究壳聚糖溶液浓度对壳聚糖气凝胶微观形貌的影响,选定4 wt%的壳聚糖溶液,在5 mol/L的KCl水溶液中再生得到的壳聚糖气凝胶呈现出更大的多孔网络结构(图2(o)和2(t)).

2.3 壳聚糖水凝胶和气凝胶的聚集态结构

从不同盐溶液中再生得到的壳聚糖水凝胶和气凝胶的XRD谱图示于图3. 从图3(a)和3(b)可以看出,所有的壳聚糖水凝胶在27.9°和40.0°出现两个较宽的衍射峰,它们都归属于水凝胶中液态水的散射. 此外,不同阴离子和阳离子系列的壳聚糖水凝胶分别在19.8°和20.0°出现一个明显的中等强度特征衍射峰,归属于壳聚糖结晶水合物(220)和(200)晶面的叠加结晶衍射峰,说明盐析作用导致壳聚糖分子链发生侧向聚集和重结晶形成壳聚糖纳米纤维和结晶水合物,但是在阳离子系列更高的盐浓度下,壳聚糖结晶水合物的晶面间距降低[38,39]. 值得注意的是,从不同阴离子和阳离子盐溶液中得到的壳聚糖水凝胶结晶衍射峰的衍射强度分别依照K2SO4>K2CO3>KAc>KCl>KNO3和KCl>NaCl>MgCl2>CaCl2的顺序逐渐降低,说明盐离子对壳聚糖水凝胶聚集态结构的影响遵循Hofmeister序列.


  


Fig. 3  XRD profiles of chitosan hydrogels prepared with different anions-series (a) and cations-series (b). XRD profiles of chitosan aerogels dried from supercritical CO2 with different anions-series (c) and cations-series (d).


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经过超临界干燥后,不同阴离子和阳离子系列的壳聚糖气凝胶中,归属于液态水的2个宽衍射峰完全消失,(200)和(220)晶面的叠加结晶衍射峰都处于20.0°并且强度增加,同时在10.9°附近出现一个新的中等强度宽衍射峰,归属于水合壳聚糖(020)晶面的结晶衍射峰,说明壳聚糖分子链进一步发生氢键重排和重结晶形成更多的水合壳聚糖晶体,显示出典型的半结晶性高分子特征(图3(c)和3(d))[38,39]. 此外,与壳聚糖水凝胶类似,从不同阴离子盐溶液中得到的壳聚糖气凝胶的结晶度分别依照K2SO4>K2CO3>KAc>KCl>KNO3的顺序从51.2%逐渐降低至46.6%,而从不同阳离子盐溶液中得到的壳聚糖气凝胶的结晶度分别依照KCl>NaCl>MgCl2>CaCl2的顺序从51.4%逐渐降低至47.1%,说明盐离子对壳聚糖水凝胶和气凝胶聚集态结构的影响展现出相同的趋势.

2.4 壳聚糖气凝胶的孔隙结构

如图4所示,从阴离子系列、阳离子系列盐溶液和不同壳聚糖浓度得到的壳聚糖气凝胶的氮气吸附等温线具有相似性,根据IUPAC分类都归属于IV型吸附等温线,也就是多层吸附到具有强吸附剂-吸附物质相互作用的介孔材料. 当壳聚糖溶液浓度为7 wt%时,由于盐析效应从不同盐溶液中得到的壳聚糖气凝胶密度介于0.40~0.53 g/cm3之间(图5(a)). 通过BET方程计算得到,壳聚糖气凝胶的比表面积介于181~230 m2/g之间,孔尺寸为2~20 nm,孔体积为0.80~1.02 cm3/g,说明在水合能力更强的阴离子或阳离子作用下,壳聚糖分子链形成的纳米孔网络结构更加致密,得到壳聚糖气凝胶的孔尺寸及孔体积更小,比表面积相对更低. 降低壳聚糖溶液的浓度能够降低气凝胶的密度并增加比表面积. 当壳聚糖溶液浓度为2.5 wt%时,从KCl水溶液中再生得到的壳聚糖气凝胶密度为0.30 g/cm3,比表面积增加到410 m2/g,孔尺寸为10~30 nm,孔体积达到2.56 cm3/g (图4(f)和图5(b)),说明降低壳聚糖的浓度导致形成更为疏松的纳米纤维网络结构,所得气凝胶的孔尺寸和孔体积越大,比表面积越大.


  


Fig. 4  Nitrogen adsorption (solid) and desorption (open) isotherms (a-c) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) pore-size distribution (d-f) of chitosan aerogels prepared with different anions-series (a, d), cations-series (b, e), and chitosan concentrations (c, f) calculated from the desorption branch of the isotherm. Relative pressure = P/P0, dp = pore diameter, Vp = pore volume.


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Fig. 5  The density (ρ) and specific surface area (SBET) of chitosan aerogels with different anions-series and cations-series (a), and chitosan concentration (b).


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2.5 壳聚糖水凝胶和气凝胶的力学性能

我们测试了从不同盐溶液中制备的壳聚糖水凝胶的力学性能(图6). 在阴离子系列中,壳聚糖水凝胶的拉伸强度(σb)、断裂伸长率(εb)、杨氏模量(E)和断裂功(wf)遵循Hofmeister序列SO42->CO32->Ac->Cl->NO3-(图6(a)和6(c)). 在这些盐溶液中,K2SO4展现出最好的盐析能力,壳聚糖分子链通过氢键作用和疏水聚集发生更强的侧向聚集和重结晶形成壳聚糖纳米纤维和结晶水合物,进而相互缠结形成三维纳米纤维网络,得到的壳聚糖水凝胶的σb、E和wf分别为(1.0±0.06) MPa、(0.48±0.05) MPa和(1.05±0.13) MJ/m3而在阳离子系列中,除MgCl2之外,壳聚糖水凝胶的σb和wf也基本遵循Hofmeister序列K+>Na+>Ca2+(图6(b)和6(c)). 此外,由于阳离子系列中盐浓度更高,还会进一步增强对壳聚糖水凝胶力学性能的影响,因此所得到的水凝胶力学性能更高. 考虑到碱性壳聚糖溶液在MgCl2和CaCl2中产生不溶性沉淀,KCl和NaCl更适合用于制备壳聚糖水凝胶,从KCl水溶液中得到的壳聚糖水凝胶的σb、E和wf分别达到(1.2±0.1) MPa、(0.46±0.03) MPa和(1.27±0.27) MJ/m3. 壳聚糖水凝胶经过溶剂置换和超临界干燥后,由于水分子的去除和结晶性增加,壳聚糖分子链之间能够形成更多的分子链内和分子链间氢键作用,壳聚糖气凝胶的力学性能显著增强(图7). 从图7(a)和7(c)可以看出,在不同阴离子系列的壳聚糖气凝胶中,从K2SO4水溶液中制备的壳聚糖气凝胶具有最高的σb (23.1±0.4) MPa、E (198.0±43.8) MPa和wf (9.6±0.9) MJ/m3. 这是由于K2SO4具有更强的亲液性,导致壳聚糖分子链形成更均匀的纳米纤维网络结构和更高的结晶性,所得到的壳聚糖气凝胶的力学性能明显高于纤维素和甲壳素气凝胶[27,28],也远高于二氧化硅气凝胶[40]. 这些结果与SEM、XRD和氮气吸附-解吸附结果共同说明,壳聚糖水凝胶和气凝胶的微观结构尤其是聚集态结构直接决定其最终力学性能,并遵循Hofmeister序列的规律.


  


Fig. 6  Typical stress-strain curves of chitosan hydrogels prepared with different anions-series (a) and cations-series (b). (c) The tensile strength, elongation at break, Young's modulus, and work of fracture of the corresponding chitosan hydrogels.


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Fig. 7  Typical stress-strain curves of chitosan aerogels prepared with different anions-series (a) and cations-series (b). (c) The tensile strength, elongation at break, Young's modulus, and work of fracture of the corresponding chitosan aerogels.


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在不同阳离子系列中(图7(b)和7(c)),虽然相应的壳聚糖水凝胶的力学性能高于阴离子系列(K2SO4除外),但是这些壳聚糖气凝胶的σb介于11.6~13.8 MPa之间,均显示出优异的力学性能. 值得注意的是,不同阴离子系列壳聚糖气凝胶的wf遵循Hofmeister序列SO42->CO32->Ac->Cl->NO3-,从9.6 MJ/m3逐渐降低至4.6 MJ/m3,而不同阳离子系列壳聚糖气凝胶的wf遵循Hofmeister序列K+>Na+≈Mg2+>Ca2+,从6.5 MJ/m3逐渐降低至4.2 MJ/m3. 由此可见,不同盐离子对壳聚糖气凝胶的增韧效果同样遵循Hofmeister序列.

3 结论

本工作通过将壳聚糖直接溶解在KOH水溶液中,利用Hofmeister效应调控壳聚糖水凝胶和气凝胶的微观结构和力学性能等物理性质,构建出高强韧壳聚糖气凝胶. 在盐析作用下,壳聚糖分子链发生侧向聚集和重结晶形成壳聚糖纳米纤维和结晶水合物,这些壳聚糖纳米纤维相互缠结形成三维网络结构的壳聚糖水凝胶.壳聚糖水凝胶和气凝胶的聚集态结构直接决定其最终力学性能,并显示出遵循Hofmeister 序列的规律.壳聚糖气凝胶的拉伸强度、杨氏模量和断裂功最高可达(23.1±0.4) MPa、(198.0±43.8) MPa和(9.6±0.9) MJ/m3,比表面积最高可达410 m2/g. 这种简单策略有助于制备高强韧壳聚糖气凝胶,在柔性电子器件、组织工程材料、药物/蛋白载体和催化等领域有潜在应用前景.


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