[发明专利]超弹性环氧水凝胶

说明书

本发明部分地是根据美国陆军医学研究司令部资助的编号为81XWH-06-C-0057的合同，在政府支持下完成。政府可享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及水凝胶，更具体地涉及改进的弹性环氧水凝胶聚合物及其应用。

背景技术

水凝胶是一类非水溶性的聚合物链产品。水凝胶为高吸收性的高分子材料，可用于生物医学等各种领域。

发明内容

本发明通过提供由聚醚胺与聚缩水甘油醚反应生成的独特超弹性环氧水凝胶聚合物，改善了水凝胶聚合物，由此得到的聚合物为一种具有各种用途的超弹性水凝胶。

附图说明

从以下详细说明结合附图可看出本发明进一步的特点和优势，其中数字代表相应的部件：

图1是根据本发明一种实施方式的光活化聚合物凝胶基致动器(actuator)结构的透视图；

图2是根据本发明制造的致动器元件的透视图。

具体实施方式

本发明的环氧水凝胶可通过将醚反应物如聚乙二醇二缩水甘油醚和聚氧化烯胺(polyoxyalkyleneamines，端胺基聚醚)与水按比例混合，由此产生水性聚合材料而制得。尤其优选的是例如商业可得到的亨斯迈公司的商标为的聚氧化烯胺，和其它聚醚胺，它们作为环氧成分与各种醚反应形成环氧水凝胶。该聚氧化烯胺含有与聚醚骨架末端相连的伯胺基团，因此被称作“聚醚胺”。该聚醚骨架或基于环氧丙烷(PO)，环氧乙烷(EO)，混合环氧丙烷/环氧乙烷，或者可含有其他骨架片段以及通过阻碍伯胺或通过仲胺官能性提供的改变的反应性。利用加热加快反应或者室温下超过例如24小时可以使该材料固化。这为生产目的提供了非常广泛的材料处理时间窗，而且在液状下可以很容易地流入各种形状的模具。已经固化的聚合物是非常柔韧、富有弹性的，溶胀率超过干燥状态体积的1000％。

在液体聚合过程中可能加入其它材料，以产生带有所加官能团的独特的环氧聚合物或改变固化的环氧水凝胶的物理性质。例如，通过将氧化物(如钛氧化物)加入液体环氧混合物，该聚合物的孔隙度和纹理体积将变成白色海绵样物质，但性能仍为水凝胶样。通过用可见光谱和非可见光谱内的波长照射该物质，这些性能可被进一步增强。当一氧化钛(TiO)负载的环氧水凝胶暴露在紫外线中，进行水合时会氧化水或其它流体。当该相同聚合物和血液或组织间隙液水合，并且被照射时，还可作为血糖检测物质。多孔一氧化钛负载的水凝胶结构的高比表面积是非常有效的制氢媒介，成本很低且易于生产。

本发明的弹性环氧水凝胶还可以很好地用作离子致动器的材料，在胺类溶胀动力学中压力发生表现上好，优于其它水凝胶或聚合物凝胶致动器。通过增加密度或胺基基团(例如仲胺和伯胺)的数目，在水凝胶中也可以获得增强的溶胀压，这也对溶胀和退胀时间有一定影响。达到该目标的方法之一是通过将聚酰胺-胺(PAMAM)聚醚树枝状高分子，聚(丙烯亚胺)PPI-树枝状高分子，氨基官能化树枝状高分子或其组合，结合成为聚合物结构的部分。树枝状高分子具有高度分支，并提供大量的聚合物结合位点。在商业上还可获得带有伯胺表面基团和核心氨基基团的树枝状高分子。这使水凝胶工程成为可能，使得具体的性能参数，如凝胶可产生的压力由材料配方比率或通过控制聚合物结构本身分支的组织、大小和数目来确定。水凝胶的密度和孔隙度由胺基官能团数量和聚醚胺的分子量控制。水凝胶的密度和孔隙率也可由聚乙二醇二缩水甘油醚的量和/或用于聚合该材料的H₂O或溶剂的比率来控制。优选用于该凝胶的醚是聚乙二醇-十二烷基醚(polyEGDE)，但也可使用其它醚，如环己烷二甲醇二缩水甘油醚。这些醚产生非常透明强力的水凝胶，该水凝胶对高pH水溶液呈疏水性，当暴露于低pH或酸性溶液时会发生溶胀。水凝胶的密度和孔隙度也可通过聚合作用过程中在聚合物中所加氧化剂的量进行控制。无论是溶液中还是干燥情况下，这些氧化剂可以在聚合作用过程中进一步通过化学电学或光子进行活化，以达到理想的性能。

离子水凝胶溶胀动力学通过水凝胶外部溶液与水凝胶内部溶液之间存在的pH值、离子、阳离子或质子的差异或水凝胶聚合物成分得以实现的。这些性能特点可通过几种方法进行控制。例如，聚合作用过程中，在聚合物中添加酸产生具有较高pH溶胀性质的水凝胶。水凝胶的溶胀动力学还可通过聚合作用过程中，在聚合物中添加盐或碱溶液来控制。这是通过化学，电学，电化学或光化学激发环氧聚合物或与其水合的溶液来实现的。