[發明專利]一種高強度氫氧化鋯納米復合水凝膠及其制備與作為電驅動器的應用

在審

• 申請號: 202010041351.2
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111253514A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 姜浩洋;李歡軍;唐建國
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: C08F220/06
• 分類號: C08F220/06;C08F220/54;C08K3/22;C08J3/075;C08F220/56;C08F220/14;C08F220/18
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 陳桂玲

本發明公開了一種高強度氫氧化鋯納米復合水凝膠，是以氫氧化鋯納米溶膠，利用原位自由基聚合法使丙烯酸類與丙烯酰胺類單體在催化劑與引發劑加入的條件下發生共聚制得。本發明還公開了所述復合水凝膠在制備水凝膠電驅動器中的應用，以此水凝膠在電解池中組裝電驅動器件，在不同條件的刺激下，水凝膠驅動器會對電信號進行響應，從而進行驅動。本發明復合水凝膠構建的水凝膠驅動器拓寬了電驅動器的應用范圍，使其力學強度達到人工肌肉的強度要求，可用于仿生軟機器人的構建，預示其在仿生人工肌肉及微流控閥門領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種水凝膠及其制備與應用，尤其涉及一種高強度氫氧化鋯納米復合水凝膠及其制備與作為電驅動器的應用，屬于復合材料驅動器領域。

背景技術

水凝膠驅動器是一種能夠在外界刺激下發生體積相變的軟驅動器件，它們在微流控閥門、藥物輸送和人造肌肉方面有廣泛的應用前景。在這些水凝膠驅動器中，電刺激響應水凝膠驅動器因其低電壓、設施簡單而具有很大優勢。對于電刺激響應水凝膠驅動器的應用主要集中在小型機器人、細胞支架與微型機械裝置等方面。例如：Eddington等制備了一種高溶脹率的水凝膠電控閥門，在電刺激的控制下可以有效調控通道內的水流。[D.T.Eddington,D.J.Beebe,Flow control with hydrogels,Advanced Drug DeliveryReviews 56(2)(2004)199-210.]最近，Morales等設計了一種具有陰離子與陽離子的水凝膠可行走器件，在電解質溶液中，該器件可以對電信號做出響應進行定向移動，模擬機器人的運動行為。[D.Morales,E.Palleau,M.D.Dickey,O.D.Velev, Electro-actuatedhydrogel walkers with dual responsive legs,Soft matter 10(9)(2014) 1337-1348.]總之，電刺激響應水凝膠的原理是基于電場條件下凝膠內部離子的濃度梯度而造成兩側滲透壓差異，從而使水凝膠產生不均勻的溶脹行為而彎曲。

高強度水凝膠驅動器通常需要承受長時間、反復的形變，它廣泛應用于人造肌肉、智能閥門和藥物緩釋系統。然而，較差的力學性能與低楊氏模量限制了傳統水凝膠在驅動器方面的應用。目前，解決水凝膠力學強度差的方式有：將新型交聯劑如氧化石墨烯或嵌段共聚物微球引入到網絡結構中作為交聯點，制備具有高力學強度、快速電刺激響應能力的水凝膠驅動器件；另一種方式為：利用具有相反電荷的陰離子和陽離子單體之間的相互作用構建對pH與離子強度雙重響應的水凝膠驅動器。但上述技術存在的問題是：現有的電驅動水凝膠驅動器無法達到人造肌肉(～300KPa)的強度標準。因此，開發高強度水凝膠電驅動器件仍然是一項挑戰。

目前亟待解決的一個技術問題是：需要研制一種高強度納米復合水凝膠驅動器及其制備方法與在電場刺激下水凝膠的驅動器應用，并使電場刺激水凝膠力學性能達到人體關節軟骨的強度范圍。由于納米材料的小尺寸效應，納米粒子極易發生團聚，因此在凝膠體系中的分散性較差，單純作為添加劑或填充物時，雖然用于交聯的納米粒子提供了一定的力學支撐，但團聚的部分反而會使材料的力學性能減弱，無法滿足材料在生物醫學領域如人體組織支架方面的應用要求。在檢索有關使制備的水凝膠驅動器力學性能提高，達到與人體關節軟骨強度接近的范圍的文獻中，采用原位自由基聚合法制備高強度氫氧化鋯納米復合水凝膠以及其作為電驅動器應用的技術方案還未見報道。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明要解決的問題是提供一種高強度氫氧化鋯納米復合水凝膠及其制備與作為電驅動器的應用。