电场响应智能凝胶仿生驱动器的制备

2022-09-10

引言

敏感水凝胶 (Sensitive Hydrogel) 是由液体和聚合物分子网两部分组成, 液体填充在聚合物分子网的空隙中, 从而形成了一个凝胶体系, 因此是一种新型材料。作为一种“软、湿”材料的敏感水凝胶, “软”是相对于较硬的材料而来的, 其凝胶的强度较低, 在不损伤材料的条件下可以用来处理容易损伤的材料;而“湿”是指凝胶体系中含有的溶液, 可以与其周围的溶剂中的一些化学物质进行交换。

因为外部环境变化对智能水凝胶的影响是一个可逆过程, 并且认为调控方便, 所以可以将其在化学开关, 形状记忆材料, 药物控制释放材料等[7]的运用, 从而使得智能性水凝胶在微机械、生物医药和仿生工程等领域中的应用具有相当广泛的前景。

在外界的各种刺激因素中, 因为电场的调控, 所以水凝胶电刺激响应比其它种类的智能水凝胶更有优势, 从上世纪90年代开水, 电场敏感水凝胶便的成为研究的焦点之一[10]。

一、电场敏感水凝胶的制备

由于在水凝胶的电场敏感性聚合物中, 其绝大部分含有与化学键相结合的且离子化的基团, 所以这种凝胶一般是在物理或者是化学的作用下, 由带有离子基团的天然高分子或者合成高分子所制备而得到的。

1. 以合成高分子制备原料

(1) 共聚法

据相关的资料表明, 很大一部分合成高分子的电场敏感性水凝胶的原料为共聚物, 而一般采用离子或自由基共聚法来制备这类共聚物。其中, Kim等[12,13]研究发现, 将丙烯酸与乙烯磺酸钠单体、交联剂为N, N-甲基二丙烯酰胺、引发剂为过氧化二硫酸铵同时溶解于水中, 用玻璃棒搅拌一段时间后, 引入玻璃培养皿中, 然后烘干, 生成一种名为丙烯酸-乙烯磺酸钠的无规共聚交联膜。把该交联膜浸渍在0.9%的Na Cl溶液中, 并放入-对铂电极, 在施以电压后, 水凝胶体积会发生明显的收缩改变, 所以Kim等一致认同该材料有着巨大应用潜力。

Krause、Yao[16]对苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物进行了磺酸化的处理, 生成了一种带有磺酸基的交联共聚物水凝胶, 当在盐酸的溶液中的水凝胶达到溶胀平衡后然后放置于电场中, 水凝胶会向阴极方向偏转, 当在去离子水中的水凝胶达到溶胀平衡点后, 再置于盐酸和电场中后, 水凝胶开始会向阳极弯曲。

(2) 共混法

除了用共聚法可以制备电场敏感性水凝胶以外, 目前研究者们发现还可用易操作、更简便的共混法。共混法是先让两种或多种的聚合物溶液混合在一起, 进而将其制作成膜或者进行纺丝来制得电场敏感性水凝胶。如Hsieh等[18]采用聚乙烯醇和聚丙烯酸混合液纺丝制生成了一种超细水凝胶纤维。

(3) 聚合物互穿网络

为了达到水凝胶的力学性能增加的目的, 研究人员者以两种或者两种以上的聚合物作为原材料生成互穿网络的水凝胶。如Homma等[19]通过许多年的研究和制备制作出了聚乙烯醇和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸 (PAMPS) 所形成的这一类互穿网络的水凝胶膜。

2. 天然高分子为材料

采用合成高分子为原料来制备的电场敏感水凝胶拥有比较多的优点和优势, 首先它的力学性能相当优秀、在电场的作用下有相当迅速的响应速度, 不过大多数合成高分子的生物降解性和相容性较差这一明显的缺点, 限制了它在生物医药方面的大面积推广应用。

Kim等[20]的课题组在这方面的研究有较大的进展, 他们将聚乙烯醇和透明质酸的水溶液通过一定的比例混合在一起, 再加入交联剂戊二醛作, 用玻璃棒搅拌混合均匀, 随后将此溶液转移到玻璃培养皿中后干燥成膜, 并成功制做出了由天然的聚阴离子聚乙烯醇和透明质酸所组成的互穿网络的水凝胶膜。

除了以膜的形式来制备天然高分子水凝胶以外, 还可以采用纤维的形式以研究其在电场中的响应性。其中, sun等[21]采用湿法纺丝法, 制做出了壳聚糖/聚乙二醇和壳聚糖/聚丙二醇的水凝胶纤维, 在低电压的电场中, 能够达到快速收缩和弯曲的效果。

三、应用与展望

1. 应用

电场敏感水凝胶可以把电能转化为机械能, 所以可以将这种智能性水凝胶作为人工肌肉的材料。如Bay等[22]经过多年研究, 成功制备了将聚吡咯接上十二烷基苯磺酸, 并发现尺寸为3mm×5 mm的这种水凝胶在0.2 mo1/L氯化钠溶液中, 在一定的电压和压力下, 其长度可以在12%以内的反复可逆变化。

电厂水凝胶的敏感性中应用广泛, 除此以外, 它还可以运用到传感器, 转化装置、生物电子学等多个方面。

2. 展望

总而言之, 作为一种智能型水凝胶的“电场敏感水凝胶”拥有广阔的应用前景。但是, 由于目前合成高分子绝大部分还是作为制备电场敏感水凝胶的原材料, 而众所周知, 许多合成高分子的生物相容性和降解性都不是很好, 因此限制了水凝胶在生物医药等领域的推广应用。相对于现在而言, 电场敏感性水凝胶的抗疲劳寿命、响应速度以及力学性能也有待更进一步的提高。

摘要：近年来, 人们对智能高分子凝胶的开发和应用产生了浓厚的兴趣, 并在其相关领域的研究取得了重要进展。其中, 对于电场敏感水凝胶的探究是研究者们关注的焦点, 它是一种可以在电场作用下做到收缩和曲直的智能水凝胶, 可以把电能转化成机械能。本文针对近年来对电场敏感水凝胶的合成制备的研究进行了综述。同时, 也对电场敏感性水凝胶在人工肌肉等仿生驱动器方面的应用作了相应的介绍。

关键词：电场敏感,凝胶,制备,应用