[發明專利]含有過量活性分子的智能聚合物材料

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• 申請號: 201380022758.9
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN104302689A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 馬克·巴尼斯特;約爾丹·杰羅諾夫;多米尼克·麥格拉思
• 申請（專利權）人: 麥德醫像公司;代表亞利桑那大學的亞利桑那校董會
• 主分類號: C08G65/00
• 分類號: C08G65/00;C08L63/10;C08L65/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王金雙

本發明是依據美國國家科學基金會(National?Science?Foundation)所授予的IIP?STTR授權號0848528在政府的支持下完成的。因此，美國政府在本發明中享有某些權利。

在一段時間內，智能聚合物、電活性聚合物(EAP)凝膠、水凝膠、以及藥物洗脫聚合物凝膠都是人們廣泛開發研究的課題。目前大多數文獻指出這些中的每一種就像是一個特定學科或材料類別，如果從分子工程方法來看，這些材料中的大多數材料都有共同的作用機理：具有活性或者非活性分子單元或位點的三維(3D)聚合物基質的物理變化或者溶脹和消溶脹。這些結構是基于交聯凝膠，交聯凝膠在特定分子位點中通過使用各種聚合物引發(如自由基、熱、光、氧化還原、陰離子、陽離子、配位)和增長方法(如逐步生長、鏈增長、開環)以及不同的聚合物類型(如加成、縮合)形成共價交聯。

3D聚合物網絡對特定的溶劑或電解質的親合力，使凝膠溶脹或者消溶脹。網絡通常被定義為親水或疏水的，這是由在聚合物鏈中的分子單元的性質決定的。疏水性或親水性是由溶劑和電解質與分子單元相互作用的熱力學參數所決定的。將電荷引入到聚合物基質中可以顯著改變熱力學參數，從而改變與溶劑或電解質的相互作用的性質。溶劑或電解質的吸收或排出動力學受聚合物3D網絡的孔隙度、密度和表面積，以及擴散定律的影響。一般來說，結構的孔隙度越高，則吸收或排出溶劑越快，但是若聚合物凝膠用作致動器，則孔隙度越高，負載下聚合物的穩定結構越少。盡管如此，我們發現通過在致動器設計中增加聚合物的表面積，可以克服這個限制。

根據本發明，通常認為結構不堅固的聚合物凝膠，作為機械驅動設備是非常有用的，以至于探討的環氧聚合物凝膠，能被設計來滿足各種特定的性能要求。更特別地，我們已經確定，通過改變凝膠中的活性分子的數量、類型和比例，可以分子設計化學動力學、最終產品、物理性質包括3D聚合物基質的溶脹和消溶脹所產生的速度和力。此外，聚合物鏈長度會通過溶脹反應的大小和鏈上的分子數量影響致動器，從而產生力。更重要的是我們的發現表明，結合的分子活性單元會提供有效驅動力，并且這些活性分子可以在聚合工藝中保持不發生反應，其中活性分子然后被用于有效地增加由致動器產生的速度和力。因此可以調整分子活性單元的數量、種類和比例，以產生致動器實際應用所需的力。分子活性單元的靜電荷的比率和密度，以及對所使用的溶劑或電解質的親合力，通過質子化或去質子化在凝膠致動性能中起重要作用。質子化是為原子、分子或離子增加質子(H⁺)。去質子化是從分子中除去質子(H⁺)，形成共軛堿。

分子放棄質子的相對能力是由其pKa值來衡量的，一些分子可以有多個解離pKa值和不同的pH值水平。可以根據所需的性能使用電解質分子或離子。可以根據pKa值混合電解質，這將改變聚合物的性能和溶脹范圍。

我們還意外地發現，過量的活性單元并不需要成為聚合物鏈的一部分，而是可以簡單地將其放置或者纏結入聚合物基質中，以對凝膠性能特點產生重大影響。之前我們報道¹了環氧-胺水凝膠合成的結果和凝膠特性。本發明擴展了我們在用于工業品或消費品中的致動器所需要的各種條件下，對環氧聚合物凝膠致動器性能的研究。

通過將支化聚乙烯胺聚合物如支化吖丙啶(Ethyleneimine)或聚醚胺(Jeffamine)T-403，與二-環氧聚(乙二醇)縮水甘油醚(PEGDGE)化合物反應，制備的環氧胺水凝膠是水溶性的且容易聚合的。

本發明的進一步特點和優點將在發明內容中結合附圖進行描述，其中：

圖1示例了聚醚胺(Jeffamine)T-403聚乙二醇縮水甘油醚與水合成凝膠的路線示意圖；

圖2示例了醋酸鈉膨脹凝膠的水合和電解路線；

圖3顯示的是使用一個聚合物致動器制劑，不同的電解質的沖程比例；

圖4顯示的是具有不同分子量的PEGDGE，NH/OH比例為1.0的凝膠的被動溶脹；

圖5顯示的是具有平均PEGDGE鏈長，不同的活性分子NH/OH比率的致動器凝膠配方的水合作用；

圖6對比了在醋酸中，聚合物分解前連接的鏈對最大溶脹的影響；

圖7是顯示對比不同的鏈與NH/OH連接的被動水合壓力生成的曲線圖；

圖8是顯示不同的NH/OH比例沖程速度比較的曲線圖；

圖9是顯示不同NH/OH比例的PEGDGE凝膠電致動垂直沖程比例的曲線圖；