一種基于溫度響應(yīng)性水凝膠的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水凝膠技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于溫度響應(yīng)性水凝膠的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]水凝膠材料是一種由水分子填充于高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所形成的軟材料。由于其具有濕、軟等特性，被廣泛應(yīng)用于生物工程、藥物輸運(yùn)、組織工程等領(lǐng)域。智能水凝膠材料是水凝膠的一種，其對(duì)外部環(huán)境的變化很敏感，如果外界溫度、PH、光電信號(hào)、特殊化學(xué)分子等因素發(fā)生微小變化，智能水凝膠自身即能夠發(fā)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。因此，由于智能水凝膠能夠迅速指示某些外部環(huán)境因素的變化，在一定的外界刺激下，改變其體積或做出其他性質(zhì)上的響應(yīng)，一些具有良好力學(xué)性能的智能水凝膠可以應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等結(jié)構(gòu)中的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊。
[0003]典型的智能水凝膠材料根據(jù)其對(duì)不同外界環(huán)境的響應(yīng)性，被分為溫度響應(yīng)性水凝膠、PH響應(yīng)性水凝膠、離子強(qiáng)度響應(yīng)性水凝膠等。以一種典型的溫度響應(yīng)性水凝膠(聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠)為例，其隨著溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到其響應(yīng)溫度時(shí)(32°C -35°C )，水凝膠中的高分子鏈將發(fā)生急劇失水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致水凝膠的體積變小，之后如果在將外界環(huán)境的溫度降低，水凝膠中的高分子鏈將再度回到親水狀態(tài)，從而從外界環(huán)境中吸水膨脹，體積變大。
[0004]智能水凝膠體積上的智能變化，以及其與人體肌肉相似的力學(xué)特性，使其有很大的可能作為肌肉驅(qū)動(dòng)材料被廣泛的應(yīng)用。然而，大部分具有良好智能特性的水凝膠在力學(xué)性能上都有所欠缺，它們或許太過(guò)柔軟，不能產(chǎn)生太大的驅(qū)動(dòng)力，或許太過(guò)脆弱，容易破裂失效。力學(xué)性能上的不足使得其在驅(qū)動(dòng)方面的能力以及應(yīng)用受到制約。文獻(xiàn)“Highlystretchable and tough hydrogels”(NATURE 2012)公開(kāi)了一種雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，它是由兩種高分子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)互相補(bǔ)充的方式所制備的具有高拉伸性能以及良好韌性的水凝膠材料，這種材料的兩種高分子網(wǎng)絡(luò)分別是一種離子交聯(lián)的剛性高分子網(wǎng)絡(luò)和一種化學(xué)鍵交聯(lián)的柔性高分子網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)兩種高分子網(wǎng)絡(luò)力學(xué)性能互補(bǔ)的方式來(lái)制備水凝膠，可以達(dá)到加強(qiáng)水凝膠力學(xué)性能的目的。因此，可以通過(guò)將雙重高分子網(wǎng)絡(luò)與智能水凝膠結(jié)合的方式，制備出可用于產(chǎn)生較大驅(qū)動(dòng)力的具有良好力學(xué)性能的智能水凝膠。
[0005]另一方面，水凝膠材料大部分都需要水環(huán)境的維持，智能水凝膠相應(yīng)的外界刺激大部分也是由水環(huán)境所提供。如溫度響應(yīng)性水凝膠的加溫，往往通過(guò)加熱水的方式實(shí)現(xiàn)；pH響應(yīng)性水凝膠通過(guò)改變水溶液的pH值來(lái)產(chǎn)生響應(yīng)。這樣的響應(yīng)形式限制了水凝膠的應(yīng)用，因?yàn)橐坏┟撾x水環(huán)境，水凝膠將不再能實(shí)現(xiàn)其原有的智能型功能。為了規(guī)避水環(huán)境的必要性對(duì)于智能水凝膠的限制，在溫度響應(yīng)性水凝膠中，可以加入可延展的電路，通過(guò)電路發(fā)熱的方式來(lái)刺激溫度響應(yīng)性水凝膠，使其發(fā)生響應(yīng)。這樣一來(lái)，智能水凝膠的應(yīng)用擺脫水環(huán)境的束縛，將有利于其在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于溫度響應(yīng)性水凝膠的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊。
[0007]一種基于溫度響應(yīng)性水凝膠的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊，包括基于溫度響應(yīng)性水凝膠的驅(qū)動(dòng)層，其特征在于，還包括包覆在驅(qū)動(dòng)層外的柔性保護(hù)層，以及設(shè)于在驅(qū)動(dòng)層和柔性保護(hù)層之間的電熱層。
[0008]在實(shí)際使用使該驅(qū)動(dòng)模塊可以外加控制電路，該控制電路通過(guò)控制電熱層的通斷電情況以控制驅(qū)動(dòng)層的加熱方式(溫度、溫度變化速度等)，從而產(chǎn)生不同的加熱效果以刺激溫度響應(yīng)性水凝膠(即驅(qū)動(dòng)層)產(chǎn)生不同的收縮效果，達(dá)到調(diào)控驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)效果的目的，易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉。
[0009]本發(fā)明的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊工作原理如下:當(dāng)制備驅(qū)動(dòng)層的水凝膠溫度升高達(dá)到特定溫度點(diǎn)以上時(shí)，水凝膠發(fā)生失水，產(chǎn)生收縮的力；溫度回復(fù)，經(jīng)過(guò)相反的過(guò)程，水凝膠吸水產(chǎn)生膨脹的力。
[0010]本發(fā)明的肌肉驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)制備驅(qū)動(dòng)層的溫度響應(yīng)性水凝膠具有如下性能要求:
[0011]具有較好的響應(yīng)特性，能夠通過(guò)改變外界環(huán)境獲得較大的體積形變。具有較好的力學(xué)性能，可承受較大的外力而不破壞，外力體現(xiàn)在能承受4?5倍變形，模量約30KPa。
[0012]作為優(yōu)選，所述溫度響應(yīng)性水凝膠包括交聯(lián)的第一網(wǎng)絡(luò)單體和第二網(wǎng)絡(luò)單體，其中，第一網(wǎng)絡(luò)單體形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為柔性網(wǎng)絡(luò)，且具有溫度響應(yīng)特性，第二網(wǎng)絡(luò)單體形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為剛性網(wǎng)絡(luò)。
[0013]本發(fā)明在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的良好力學(xué)基礎(chǔ)上增加溫度響應(yīng)的智能特性，提供了一種新的具有良好力學(xué)性能兼具溫度響應(yīng)性的水凝膠。兩種網(wǎng)絡(luò)分別為柔性溫度響應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)和剛性網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)柔性網(wǎng)絡(luò)和剛性的結(jié)合提供良好的力學(xué)性能，通過(guò)柔性網(wǎng)絡(luò)的智能性給凝膠賦予智能特性。
[0014]本發(fā)明中第一網(wǎng)絡(luò)單體形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為柔性網(wǎng)絡(luò)，且具有溫度響應(yīng)特性，以第一單體作為基材，引入柔性網(wǎng)絡(luò)和溫度相應(yīng)特性保證最終得到的水凝膠具有溫度相應(yīng)特性。
[0015]本發(fā)明的第一網(wǎng)絡(luò)單體可以為丙烯酸、乙烯醇等，作為優(yōu)選，所述第一網(wǎng)絡(luò)單體為N-異丙基丙烯酰胺。
[0016]本發(fā)明的第二網(wǎng)絡(luò)單體作為剛性網(wǎng)絡(luò)的來(lái)源，增大最終得到的水凝膠的力學(xué)性能，可以為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸鈉等。作為優(yōu)選，所述第二網(wǎng)絡(luò)單體為海藻酸鈉。
[0017]為保證柔性網(wǎng)絡(luò)和剛性網(wǎng)絡(luò)之間相互作用達(dá)到較好的效果，具有比較好的力學(xué)性能，進(jìn)一步優(yōu)選，所述N-異丙基丙烯酰胺與海藻酸鈉的質(zhì)量比為6?15:1，所述水的質(zhì)量百分比為80%?90%。
[0018]上述溫度響應(yīng)性水凝膠的通過(guò)如下方法制備方法，包括如下步驟:
[0019](I)將第一網(wǎng)絡(luò)單體、第二網(wǎng)絡(luò)單體、光引發(fā)劑以及第一網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑溶解在水中得到混合溶液；
[0020](2)使混合溶液與第二網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑和交聯(lián)促進(jìn)劑均勻混合后進(jìn)行離心；
[0021](3)對(duì)離心后的溶液鑄模，并置于設(shè)定條件下進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)得到水凝膠。
[0022]本發(fā)明中步驟(I)制備混合溶液，以及步驟(2)使混合溶液與第二網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑和交聯(lián)促進(jìn)劑均勻混合時(shí)均需要攪拌以達(dá)到均勻溶解的目的，通常攪拌半小時(shí)左右。
[0023]進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，第一網(wǎng)絡(luò)單體、第二網(wǎng)絡(luò)單體、交聯(lián)劑(包括第一網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑和第二網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑)和光引發(fā)劑、交聯(lián)促進(jìn)劑的種類(lèi)，以及相應(yīng)的配比關(guān)系，直接影響到最終制備得到的水凝膠的性質(zhì)。
[0024]作為優(yōu)選，所述步驟(I)中第一網(wǎng)絡(luò)單體為N-異丙基丙烯酰胺，第二網(wǎng)絡(luò)單體為海藻酸鈉，其第一網(wǎng)絡(luò)單體和第二網(wǎng)絡(luò)單體的質(zhì)量比為6?15:1。
[0025]所述的第一網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑為N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，質(zhì)量約為第一網(wǎng)絡(luò)單體質(zhì)量的0.02% -0.1%。
[0026]第二網(wǎng)絡(luò)單體的交聯(lián)劑為離子型交聯(lián)劑，作為優(yōu)選，本發(fā)明中采用Ca離子(Ca2+)，具體采用CaCO3，其質(zhì)量為第二網(wǎng)絡(luò)單體(海藻酸鈉)的質(zhì)量的5?20%。由于CaCO3不溶于水，需要采用原位釋放法釋放出Ca2+，本發(fā)明中在步驟(2)中加入與CaCO3等質(zhì)量的葡萄糖酸內(nèi)酯使CaCO3F釋放出Ca 2+。
[0027]進(jìn)一步優(yōu)選，所述的光引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨，質(zhì)量為N-異丙基丙烯酰胺的質(zhì)量的0.5-5%，優(yōu)選為0.8%。所述的交聯(lián)促進(jìn)劑為N，N，N’，N’ -甲基乙二胺，質(zhì)量為N-異丙基丙烯酰胺的質(zhì)量的0.1%。
[0028]作為優(yōu)選，進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)條件如下:
[0029]溫度為O?10°C，光照強(qiáng)度大于500流明，交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間為lh。
[0030]本發(fā)明中光照強(qiáng)度大于500流明實(shí)際上是進(jìn)行光照時(shí)采用的光源的光通量大于500流明。
[0031]由于加入N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺后，N-異丙基丙烯酰胺便開(kāi)始交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)，而Ca2+的加入會(huì)使海藻酸鈉迅速交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)，因此在其兩種網(wǎng)絡(luò)單體溶解均勻過(guò)程中先不加入。由于N-異丙基丙烯酰胺單體在高溫下溶解度降低從而從水中析出，因此傳統(tǒng)的交聯(lián)過(guò)程制備工藝(要求較高溫度劑光照)會(huì)使得N-異丙基丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)無(wú)法交聯(lián)形成，本發(fā)明中采用低溫(5?10°C )環(huán)境中，采用較強(qiáng)光照射的方式，來(lái)使凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)形成。
[0032]作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)層的厚度為0.5mm-2mm。
[0033]柔性保護(hù)層選擇盡量薄，不易破壞，不限