生物凝膠電致動器的制備及其性能研究

李思佳 梁博

摘?要：生物凝膠是水凝膠的一種，在自然界中并不直接存在，它是由動物膠原蛋白經(jīng)酸或堿的熱水解作用而得的生物高分子蛋白質(zhì)。作為水凝膠是穩(wěn)定的。生物凝膠因其具有非免疫原性、可生物降解性、生物相容性、生物活性和低成本的商業(yè)價值在藥物輸送、傷口敷料、人工肌肉等領域得到了廣泛的應用，生物凝膠需要通過化學交聯(lián)或使用一些填料來增強。經(jīng)本實驗研究可知，在控制變量的條件下，當溫度達到80℃;當反應時間為3小時;當摻雜劑用量為12ml時，生物凝膠致動器的性能則達到最大。

關鍵詞：生物凝膠;驅(qū)動器;聚合性

1.前言

生物凝膠是水凝膠的一種，在自然界中并不直接存在，它是由動物膠原蛋白經(jīng)酸或堿的熱水解作用而得的生物高分子蛋白質(zhì)。作為水凝膠是穩(wěn)定的。生物凝膠因其具有非免疫原性、可生物降解性、生物相容性、生物活性和低成本的商業(yè)價值在藥物輸送、傷口敷料、人工肌肉等領域得到了廣泛的應用，因為生物凝膠是通過高溫下的酸性或堿性過程使溶液中的天然膠原變性而產(chǎn)生且它的性能相比膠原來說較差，表現(xiàn)出較差的耐水性和較低的機械性能，這限制了其作為水凝膠的應用?；瘜W交聯(lián)通過生物凝膠分子中反應側(cè)基之間的共價鍵增強了熱性能和機械性能。然而，該過程呈現(xiàn)殘留的交聯(lián)劑有毒性副作用。由于石墨具有良好的生物相容性和力學性能并且結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定并且具有導電性，因此選擇石墨來提高生物凝膠的力學和機電性能。

2.生物凝膠電致動器的制備

將石墨與十二烷基硫酸鈉在水介質(zhì)中混合，然后用磁力攪拌將生物凝膠溶解在蒸餾水中。最后，將兩種溶液通過磁力攪拌充分混合一夜，得到混合物。將混合物澆注在硅膠墊上，經(jīng)過真空干燥后得到凝膠薄膜。將薄膜膜浸沒在含有吡咯，F(xiàn)eCl 3和對甲苯磺酸溶液中原位形成生物凝膠電致動器。

2.1單因素實驗的研究

本文運用了控制變量的方法，分別對實驗過程中的反應溫度、反應時間、摻雜劑濃度以及生物凝膠溶液濃度進行控制變量。在制備生物凝膠薄膜時，控制不同的生物凝膠濃度制成生物凝膠電致動器，待測量其偏轉(zhuǎn)角度與應力后對其性能進行對比;從而得到最佳的制備工藝。

由圖1可得，干燥溫度對殼聚糖薄膜的性能有較大影響。由圖可表明，隨著干燥溫度的不斷增加，生物凝膠的彎曲程度不斷增加。在干燥溫度為80℃時，彎曲程度最大。這是由于在較低的干燥溫度下，可以快速蒸發(fā)膜表面水分，避免了高溫條件下對生物凝膠結(jié)構(gòu)和膜表面質(zhì)量的破壞。

由圖2可得，酸對生物凝膠薄膜的性能有較大影響。由圖可表明，隨著乙酸用量的不斷增加，生物凝膠薄膜的彎曲程度先增大后減小。在12ml時，彎曲程度最大。這是由于乙酸是弱酸，而生物薄膜是胺是弱堿。乙酸與生物凝膠反應，形成醋酸銨。隨著醋酸用量的增加，化學平衡右移，陰離子-對正極的排斥力增大，因而位移增大?；瘜W平衡逆向移動使醋酸增多，位移增大。且乙酸是生物凝膠良好的溶劑、具有增塑作用。但隨著乙酸用量不斷增加即pH值的升高，會腐蝕薄膜表面使其無法成膜。

2.2凝膠電致動器的致動性能研究

利用松下的HG-C100型號激光位移傳感器進行偏轉(zhuǎn)角度的測試。保持膜與位移傳感器垂直狀態(tài)，通過將銅帶粘附到導電進行電接觸，從而得出最佳性能偏轉(zhuǎn)角。采用HP-5推拉力計裝置進行測量，讓致動器的一端與推拉力計的傳感器觸針相接觸，推拉力計與電腦相連接，通電后通過電腦上的數(shù)據(jù)處理軟件直接查看力的大小數(shù)據(jù)，得出相誤差較小的結(jié)果。

3.結(jié)論

生物凝膠電致動器是一種新型材料，由于優(yōu)良的形變性能和穩(wěn)定的致動性能，在諸多領域都極具應用價值。本文主要針對生物凝膠電致動器的制備、機械性能、電致動性能以及影響性能的各因素等方面進行了初步研宄。本章采用石墨作為聚合物制備了生物凝膠電致動器完成了制備。通過控制變量法研究了關鍵工藝參數(shù)對生物凝膠致動器性能的影響，最終通過性能對比得到各因素影響下性能最優(yōu)的凝膠致動器及其制備參數(shù)。為研究生物凝膠電致動器的致動性能，搭建了電致動器的實驗測試平臺，通過對偏轉(zhuǎn)位移、彎曲力與響應速度等方面進行了測試研究，給出了電致動器的機械性能實驗測試與電化學測試方法。

參考文獻

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基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202010214244）

作者簡介：李思佳（2001?），女，黑龍江省哈爾濱市人，在讀本科生，專業(yè)為食品科學與工程。