一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水凝膠技術領域，具體涉及一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊。
【背景技術】
[0002]水凝膠材料是一種由水分子填充于高分子網絡結構所形成的軟材料。由于其具有濕、軟等特性，被廣泛應用于生物工程、藥物輸運、組織工程等領域。智能水凝膠材料是水凝膠的一種，其對外部環境的變化很敏感，如果外界溫度、PH、光電信號、特殊化學分子等因素發生微小變化，智能水凝膠自身即能夠發生相應的物理結構或化學結構的變化。因此，由于智能水凝膠能夠迅速指示某些外部環境因素的變化，在一定的外界刺激下，改變其體積或做出其他性質上的響應，一些具有良好力學性能的智能水凝膠可以應用于生物、醫學等結構中的肌肉驅動模塊。
[0003]典型的智能水凝膠材料根據其對不同外界環境的響應性，被分為溫度響應性水凝膠、PH響應性水凝膠、離子強度響應性水凝膠等。以一種典型的溫度響應性水凝膠(聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠)為例，其隨著溫度的升高，當溫度達到其響應溫度時(32°C -35°C )，水凝膠中的高分子鏈將發生急劇失水現象，從而導致水凝膠的體積變小，之后如果在將外界環境的溫度降低，水凝膠中的高分子鏈將再度回到親水狀態，從而從外界環境中吸水膨脹，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特性，使其有很大的可能作為肌肉驅動材料被廣泛的應用。然而，大部分具有良好智能特性的水凝膠在力學性能上都有所欠缺，它們或許太過柔軟，不能產生太大的驅動力，或許太過脆弱，容易破裂失效。力學性能上的不足使得其在驅動方面的能力以及應用受到制約。文獻“Highlystretchable and tough hydrogels”(NATURE 2012)公開了一種雙網絡水凝膠材料，它是由兩種高分子網絡通過互相補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絡分別是一種離子交聯的剛性高分子網絡和一種化學鍵交聯的柔性高分子網絡。通過兩種高分子網絡力學性能互補的方式來制備水凝膠，可以達到加強水凝膠力學性能的目的。因此，可以通過將雙重高分子網絡與智能水凝膠結合的方式，制備出可用于產生較大驅動力的具有良好力學性能的智能水凝膠。
[0005]另一方面，水凝膠材料大部分都需要水環境的維持，智能水凝膠相應的外界刺激大部分也是由水環境所提供。如溫度響應性水凝膠的加溫，往往通過加熱水的方式實現；pH響應性水凝膠通過改變水溶液的pH值來產生響應。這樣的響應形式限制了水凝膠的應用，因為一旦脫離水環境，水凝膠將不再能實現其原有的智能型功能。為了規避水環境的必要性對于智能水凝膠的限制，在溫度響應性水凝膠中，可以加入可延展的電路，通過電路發熱的方式來刺激溫度響應性水凝膠，使其發生響應。這樣一來，智能水凝膠的應用擺脫水環境的束縛，將有利于其在更多的領域得到應用。

【發明內容】

[0006]針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊。
[0007]一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊，包括基于溫度響應性水凝膠的驅動層，其特征在于，還包括包覆在驅動層外的柔性保護層，以及設于在驅動層和柔性保護層之間的電熱層。
[0008]在實際使用使該驅動模塊可以外加控制電路，該控制電路通過控制電熱層的通斷電情況以控制驅動層的加熱方式(溫度、溫度變化速度等)，從而產生不同的加熱效果以刺激溫度響應性水凝膠(即驅動層)產生不同的收縮效果，達到調控驅動模塊的驅動效果的目的，易于實現且成本低廉。
[0009]本發明的肌肉驅動模塊工作原理如下:當制備驅動層的水凝膠溫度升高達到特定溫度點以上時，水凝膠發生失水，產生收縮的力；溫度回復，經過相反的過程，水凝膠吸水產生膨脹的力。
[0010]本發明的肌肉驅動模塊對制備驅動層的溫度響應性水凝膠具有如下性能要求:
[0011]具有較好的響應特性，能夠通過改變外界環境獲得較大的體積形變。具有較好的力學性能，可承受較大的外力而不破壞，外力體現在能承受4?5倍變形，模量約30KPa。
[0012]作為優選，所述溫度響應性水凝膠包括交聯的第一網絡單體和第二網絡單體，其中，第一網絡單體形成的網絡結構為柔性網絡，且具有溫度響應特性，第二網絡單體形成的網絡結構為剛性網絡。
[0013]本發明在雙網絡水凝膠的良好力學基礎上增加溫度響應的智能特性，提供了一種新的具有良好力學性能兼具溫度響應性的水凝膠。兩種網絡分別為柔性溫度響應性網絡和剛性網絡，通過柔性網絡和剛性的結合提供良好的力學性能，通過柔性網絡的智能性給凝膠賦予智能特性。
[0014]本發明中第一網絡單體形成的網絡結構為柔性網絡，且具有溫度響應特性，以第一單體作為基材，引入柔性網絡和溫度相應特性保證最終得到的水凝膠具有溫度相應特性。
[0015]本發明的第一網絡單體可以為丙烯酸、乙烯醇等，作為優選，所述第一網絡單體為N-異丙基丙烯酰胺。
[0016]本發明的第二網絡單體作為剛性網絡的來源，增大最終得到的水凝膠的力學性能，可以為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸鈉等。作為優選，所述第二網絡單體為海藻酸鈉。
[0017]為保證柔性網絡和剛性網絡之間相互作用達到較好的效果，具有比較好的力學性能，進一步優選，所述N-異丙基丙烯酰胺與海藻酸鈉的質量比為6?15:1，所述水的質量百分比為80%?90%。
[0018]上述溫度響應性水凝膠的通過如下方法制備方法，包括如下步驟:
[0019](I)將第一網絡單體、第二網絡單體、光引發劑以及第一網絡單體的交聯劑溶解在水中得到混合溶液；
[0020](2)使混合溶液與第二網絡單體的交聯劑和交聯促進劑均勻混合后進行離心；
[0021](3)對離心后的溶液鑄模，并置于設定條件下進行交聯反應得到水凝膠。
[0022]本發明中步驟(I)制備混合溶液，以及步驟(2)使混合溶液與第二網絡單體的交聯劑和交聯促進劑均勻混合時均需要攪拌以達到均勻溶解的目的，通常攪拌半小時左右。
[0023]進行交聯反應時，第一網絡單體、第二網絡單體、交聯劑(包括第一網絡單體的交聯劑和第二網絡單體的交聯劑)和光引發劑、交聯促進劑的種類，以及相應的配比關系，直接影響到最終制備得到的水凝膠的性質。
[0024]作為優選，所述步驟(I)中第一網絡單體為N-異丙基丙烯酰胺，第二網絡單體為海藻酸鈉，其第一網絡單體和第二網絡單體的質量比為6?15:1。
[0025]所述的第一網絡單體的交聯劑為N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，質量約為第一網絡單體質量的0.02% -0.1%。
[0026]第二網絡單體的交聯劑為離子型交聯劑，作為優選，本發明中采用Ca離子(Ca2+)，具體采用CaCO3，其質量為第二網絡單體(海藻酸鈉)的質量的5?20%。由于CaCO3不溶于水，需要采用原位釋放法釋放出Ca2+，本發明中在步驟(2)中加入與CaCO3等質量的葡萄糖酸內酯使CaCO3F釋放出Ca 2+。
[0027]進一步優選，所述的光引發劑為過硫酸銨，質量為N-異丙基丙烯酰胺的質量的0.5-5%，優選為0.8%。所述的交聯促進劑為N，N，N’，N’ -甲基乙二胺，質量為N-異丙基丙烯酰胺的質量的0.1%。
[0028]作為優選，進行交聯反應的反應條件如下:
[0029]溫度為O?10°C，光照強度大于500流明，交聯反應時間為lh。
[0030]本發明中光照強度大于500流明實際上是進行光照時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始交聯形成網絡，而Ca2+的加入會使海藻酸鈉迅速交聯形成網絡，因此在其兩種網絡單體溶解均勻過程中先不加入。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，因此傳統的交聯過程制備工藝(要求較高溫度劑光照)會使得N-異丙基丙烯酰胺網絡無法交聯形成，本發明中采用低溫(5?10°C )環境中，采用較強光照射的方式，來使凝膠網絡交聯形成。
[0032]作為優選，所述驅動層的厚度為0.5mm-2mm。
[0033]柔性保護層選擇盡量薄，不易破壞，不限