電場響應(yīng)智能凝膠仿生驅(qū)動(dòng)器的制備

李達(dá) 楊超（四川大學(xué)江安校區(qū)2011級化學(xué)工程學(xué)院）

引言

敏感水凝膠(Sensitive Hydrogel)是由液體和聚合物分子網(wǎng)兩部分組成，液體填充在聚合物分子網(wǎng)的空隙中，從而形成了一個(gè)凝膠體系，因此是一種新型材料。作為一種“軟、濕”材料的敏感水凝膠，“軟”是相對于較硬的材料而來的，其凝膠的強(qiáng)度較低，在不損傷材料的條件下可以用來處理容易損傷的材料；而“濕”是指凝膠體系中含有的溶液，可以與其周圍的溶劑中的一些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行交換。

因?yàn)橥獠凯h(huán)境變化對智能水凝膠的影響是一個(gè)可逆過程，并且認(rèn)為調(diào)控方便，所以可以將其在化學(xué)開關(guān)，形狀記憶材料，藥物控制釋放材料等[7]的運(yùn)用，從而使得智能性水凝膠在微機(jī)械、生物醫(yī)藥和仿生工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)廣泛的前景。

在外界的各種刺激因素中，因?yàn)殡妶龅恼{(diào)控，所以水凝膠電刺激響應(yīng)比其它種類的智能水凝膠更有優(yōu)勢，從上世紀(jì)90年代開水，電場敏感水凝膠便的成為研究的焦點(diǎn)之一[10]。

一、電場敏感水凝膠的制備

由于在水凝膠的電場敏感性聚合物中，其絕大部分含有與化學(xué)鍵相結(jié)合的且離子化的基團(tuán)，所以這種凝膠一般是在物理或者是化學(xué)的作用下，由帶有離子基團(tuán)的天然高分子或者合成高分子所制備而得到的。

1.以合成高分子制備原料

（1）共聚法

據(jù)相關(guān)的資料表明，很大一部分合成高分子的電場敏感性水凝膠的原料為共聚物，而一般采用離子或自由基共聚法來制備這類共聚物。其中，Kim等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，將丙烯酸與乙烯磺酸鈉單體、交聯(lián)劑為N,N-甲基二丙烯酰胺、引發(fā)劑為過氧化二硫酸銨同時(shí)溶解于水中，用玻璃棒攪拌一段時(shí)間后，引入玻璃培養(yǎng)皿中，然后烘干，生成一種名為丙烯酸-乙烯磺酸鈉的無規(guī)共聚交聯(lián)膜。把該交聯(lián)膜浸漬在0.9%的N a C l溶液中，并放入-對鉑電極，在施以電壓后，水凝膠體積會發(fā)生明顯的收縮改變，所以Kim等一致認(rèn)同該材料有著巨大應(yīng)用潛力。

Krause、Yao[16]對苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物進(jìn)行了磺酸化的處理，生成了一種帶有磺酸基的交聯(lián)共聚物水凝膠，當(dāng)在鹽酸的溶液中的水凝膠達(dá)到溶脹平衡后然后放置于電場中，水凝膠會向陰極方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)在去離子水中的水凝膠達(dá)到溶脹平衡點(diǎn)后，再置于鹽酸和電場中后，水凝膠開始會向陽極彎曲。

（2）共混法

除了用共聚法可以制備電場敏感性水凝膠以外，目前研究者們發(fā)現(xiàn)還可用易操作、更簡便的共混法。共混法是先讓兩種或多種的聚合物溶液混合在一起，進(jìn)而將其制作成膜或者進(jìn)行紡絲來制得電場敏感性水凝膠。如Hs i e h等[18]采用聚乙烯醇和聚丙烯酸混合液紡絲制生成了一種超細(xì)水凝膠纖維。

（3）聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)

為了達(dá)到水凝膠的力學(xué)性能增加的目的，研究人員者以兩種或者兩種以上的聚合物作為原材料生成互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠。如Homma等[19]通過許多年的研究和制備制作出了聚乙烯醇和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸（PAMPS）所形成的這一類互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠膜。

2.天然高分子為材料

采用合成高分子為原料來制備的電場敏感水凝膠擁有比較多的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，首先它的力學(xué)性能相當(dāng)優(yōu)秀、在電場的作用下有相當(dāng)迅速的響應(yīng)速度，不過大多數(shù)合成高分子的生物降解性和相容性較差這一明顯的缺點(diǎn)，限制了它在生物醫(yī)藥方面的大面積推廣應(yīng)用。

Kim等[20]的課題組在這方面的研究有較大的進(jìn)展，他們將聚乙烯醇和透明質(zhì)酸的水溶液通過一定的比例混合在一起，再加入交聯(lián)劑戊二醛作，用玻璃棒攪拌混合均勻，隨后將此溶液轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中后干燥成膜，并成功制做出了由天然的聚陰離子聚乙烯醇和透明質(zhì)酸所組成的互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠膜。

除了以膜的形式來制備天然高分子水凝膠以外，還可以采用纖維的形式以研究其在電場中的響應(yīng)性。其中，s u n等[21]采用濕法紡絲法，制做出了殼聚糖/聚乙二醇和殼聚糖/聚丙二醇的水凝膠纖維，在低電壓的電場中，能夠達(dá)到快速收縮和彎曲的效果。

三、應(yīng)用與展望

1.應(yīng)用

電場敏感水凝膠可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以可以將這種智能性水凝膠作為人工肌肉的材料。如B a y等[22]經(jīng)過多年研究，成功制備了將聚吡咯接上十二烷基苯磺酸，并發(fā)現(xiàn)尺寸為3 mm×5mm的這種水凝膠在0.2mo 1/L氯化鈉溶液中，在一定的電壓和壓力下，其長度可以在12%以內(nèi)的反復(fù)可逆變化。

電廠水凝膠的敏感性中應(yīng)用廣泛，除此以外，它還可以運(yùn)用到傳感器，轉(zhuǎn)化裝置、生物電子學(xué)等多個(gè)方面。

2.展望

總而言之，作為一種智能型水凝膠的“電場敏感水凝膠”擁有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于目前合成高分子絕大部分還是作為制備電場敏感水凝膠的原材料，而眾所周知，許多合成高分子的生物相容性和降解性都不是很好，因此限制了水凝膠在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。相對于現(xiàn)在而言，電場敏感性水凝膠的抗疲勞壽命、響應(yīng)速度以及力學(xué)性能也有待更進(jìn)一步的提高。

[1]Tanaka T,NishioI,Sun S T,et al.Science[J],1982,218:467-469.

[2]姚康德,彭 濤,高 偉等.高分子通報(bào)[J],1995,（2）:103-111.

[3]Yoshihito O,Simon B R.中國科學(xué)基金[J],1994,（1）:41-44.