[發(fā)明專利]一種用于人工肌肉的自增強(qiáng)雜化水凝膠及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310112803.1
• 申請日: 2013-04-02
• 公開（公告）號: CN103224633A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙孔銀;林貝貝;闞伯紅;崔文葵;劉春嬌;祁志強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C08J3/24
• 分類號: C08J3/24;C08L51/02;C08F251/00;A61L27/20;A61L27/16;A61L27/02;A61L27/52
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于人工肌肉的自增強(qiáng)雜化水凝膠及其制備方法，屬于功能材料和生物材料領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

人工肌肉是指不用機(jī)械裝置，而以電場驅(qū)動或者化學(xué)驅(qū)動的材料。目前用于制備人工肌肉的材料有高分子凝膠、導(dǎo)電高分子材料、液晶高分子材料、超分子系統(tǒng)、金屬高分子復(fù)合材料等。其中，高分子凝膠以良好的生物相容性引起了廣泛的關(guān)注。高分子凝膠是由高分子三維網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的多元體系，對環(huán)境刺激如溫度、pH、電場、溶劑性質(zhì)、光強(qiáng)度和光波長、壓力、離子強(qiáng)度、離子密度和特殊的化學(xué)刺激等，在宏觀(體積)形狀上產(chǎn)生巨大變化的聚合物網(wǎng)絡(luò)。水凝膠在水中可溶脹至一平衡體積而仍能保持其形狀和三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在一定的條件下脫水退溶脹，是一類集吸水、保水、緩釋于一體并且發(fā)展迅速的功能高分子材料。具有良好的生物相容性的凝膠響應(yīng)過程能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而這個能量轉(zhuǎn)換的過程在生物體中經(jīng)常看到。科學(xué)家們認(rèn)為，除動物肌肉之外，唯有高分子水凝膠是可用于化學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的理想材料。?

水凝膠的結(jié)構(gòu)與體內(nèi)的大分子基組分相近，人造肌肉需要很高的機(jī)械強(qiáng)度，而高強(qiáng)度的水凝膠非常符合人造肌肉的特征。將凝膠用在人工肌肉方面早有研究，而且至今方興未艾。早在上個世紀(jì)80年代，日本學(xué)者把弱酸性的聚丙烯酸(PAA)和弱堿性的聚芳基胺(PAAM)氫氯化物混合，經(jīng)凍結(jié)后解凍使之凝膠化，最后反復(fù)用酸、堿清洗即得到有快速反應(yīng)的材料。將該材料作為人工肌肉腕放在水中進(jìn)行伸長試驗(yàn)，加入丙酮時，“腕”抬起，隨即提重40g，與人腕的動作非常相似。樸東旭等以丙烯腈為單體借助非均相的接枝共聚和水解反應(yīng)，由纖維素纖維制備了離子化水凝膠表層復(fù)合纖維構(gòu)筑體(ih-SCFA)，建立了一種新的人工肌肉模型。研究發(fā)現(xiàn)ih-SCFA在水/甲醇互換介質(zhì)中顯示了優(yōu)異的化學(xué)力學(xué)特性。【由離子化水凝膠纖維構(gòu)筑的人工肌肉模型；第四屆功能性紡織品及納米技術(shù)研討會論文集；2004年】。?

水凝膠雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是大多數(shù)人造普通水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度很差，并且隨著含水量的增加而大幅度下降。例如一種明膠當(dāng)吸水量是干凝膠重量的5倍時，其斷裂拉伸強(qiáng)度大約是70KPa，斷裂伸長率為10％。當(dāng)吸水至40倍時，其斷裂拉伸強(qiáng)度只有6KPa其斷裂伸長率為11％。傳統(tǒng)上提高水凝膠強(qiáng)度的方法主要集中在改善水凝膠的交聯(lián)密度上，但是僅僅通過提高交聯(lián)密度并不能從根本上提高水凝膠的強(qiáng)度，并且還會大大降低水凝膠的柔韌性，使水凝膠變得很脆，另外變小的網(wǎng)格還會影響水凝膠的滲透性和擴(kuò)散性能，從而限制了水凝膠的進(jìn)一步應(yīng)用。Ismail等采用殼聚糖得到具有生物適應(yīng)性的高強(qiáng)度水凝膠，在周圍環(huán)境變化或電刺激時，會產(chǎn)生驅(qū)動作用。將人工肌肉和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法聯(lián)合應(yīng)用研發(fā)出機(jī)器人上肢，能調(diào)整PAM的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以最佳地適應(yīng)外界負(fù)荷狀態(tài)的變化，具有很好的仿生性能【Hydrogels?modified?with?QHREDGS?pepfide?support?cardiomyocyte?survival?in?vitro?and?after?sub-cutaneous?implantation，Soft?Matter，2010，6，5089-5099】。Wang等用水、層狀無機(jī)粘土、少量樹枝狀大分子和聚丙烯酸鈉四種材料，合成了通過非共價鍵連接的高強(qiáng)度水凝膠，該水凝膠具有遭受損?壞時能自動修復(fù)的功能。Haraguchi研究小組以NIPAM為單體合成了NC水凝膠，發(fā)現(xiàn)這種新型水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械性能。其中含水量為90％時，斷裂伸長率大于1000％，而普通水凝膠通常只有10％-30％，且NC水凝膠的回彈性大于98％。此外，NC凝膠還顯示了高度透明性、高的溶脹性及隨溫度變化快速的響應(yīng)性。Ilnlan等報道了一種滑動環(huán)水凝膠，具有高的柔韌性，可以達(dá)到其原始長度的24倍。滑動環(huán)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度與哺乳動物的皮膚、器官和組織類似，當(dāng)延長比例大到其斷裂點(diǎn)時，滑動環(huán)水凝膠變得僵硬，該自增強(qiáng)水凝膠可以用來代替各種類型的生物組織。?