[发明专利]一种温度响应性高分子凝胶纤维材料的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及智能型高分子材料技术，具体为一种可用于人工肌肉的由聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和聚乙烯醇(PVA)的互穿共混物通过湿法纺丝工艺制成的温敏性高分子凝胶纤维材料及其制备方法技术。属于功能高分子领域。

背景技术

人工肌肉是指不用机械装置，而以电场驱动或者化学驱动的材料。目前用于制备人工肌肉的材料有高分子凝胶、导电高分子材料、液晶高分子材料、超分子系统、金属高分子复合材料等。其中，高分子凝胶以良好的生物相容性引起了广泛的关注。高分子凝胶是由高分子三维网络与溶剂组成的多元体系，对环境刺激如温度、pH、电场、溶剂性质、光强度和光波长、压力、离子强度、离子密度和特殊的化学刺激(如糖)等，在宏观(体积)形状上产生巨大变化的聚合物网络。凝胶的响应过程能直接将化学能转化成机械能，而这个能量转换的过程在生物体中经常看到。科学家们认为：除动物肌肉之外，唯有高分子水凝胶是可用于化学能向机械能转换的理想材料。

将凝胶用在人工肌肉方面早有研究，而且至今方兴未艾。早在上个世纪80年代，日本的Suzuki(M.Suzuki，Kobunshi Ronbunshu.46(1989)，603.)把弱酸性的聚丙烯酸(PAA)和弱碱性的聚芳基胺(PAIAM)氢氯化物混合，经冻结后解冻使之凝胶化，最后反复用0.001g/ml的酸、碱清洗即得到有快速反应的材料。将该材料作为人工肌肉腕放在水中进行伸长试验，加入丙酮时，“腕”抬起，随即提重40g，与人腕的动作非常相似。

Gong(Y.H.Na，Y.Katsuyama，J.P.Gong.Surf Sci Nanotech.3(2005)，8.)等人用化学交联的方法制备了聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺)(PAMPS/PDMAAm)等双层网络水凝胶，这种凝胶断裂强度达10-40MPa，是组分凝胶的数百倍，目前Gong等正以人工关节和人工软骨为目标推进凝胶在人工肌肉方面的应用。

虽然很多研究者都对凝胶在生物组织及人造肌肉方面的应用进行了探索，但大多都是构想和简单的模型设计，实际应用的例子尚不多见。资料显示：骨骼肌肉纤维单轴收缩时对刺激反应的时间是30ms，若是承力收缩则为100-200ms，产生的张力为5-10kg/cm²，收缩率达50％。以上这些数值是材料表现肌肉的力学性质应达到的目标值。与动物肌肉相比，凝胶的响应速度和力学性能还达不到要求。比如：常用的凝胶材料对刺激反应的时间需要50s左右，与骨骼肌肉的反应时间有较大差距。另外，凝胶高的含水量使得其使用过程中很容易破碎，而作为常常负载收缩的人工肌肉材料必须有良好的机械性能，这也是限制凝胶应用的一个重要原因。

鉴于凝胶在人工肌肉方面应用的缺陷，有人尝试制备了纤维状的凝胶，也就是凝胶纤维(hydrogel fiber)以提高凝胶的应用性能。如美国新墨西哥大学的Schreyer(M.Shahinpoor，K.J.Kim，M.Mojarrad，Taylor &Francis Press.NewYork，ch.1(2007).)等人用PAN镀铂凝胶纤维做电极，挤压力超过天然肌肉。交替地加入酸和碱，该纤维发生可逆的收缩和溶胀，将化学能转化为机械能。长度变化约为80％，而收缩响应时间不到2s。目前，美国新墨西哥大学正在用该材料开发电子肌肉式直接心脏辅助装置。

国内的毛丽江(L.J.Mao，Y.J.Hu，Y.S.Piao，X.D.Chen，W.S.Xian andD.X.Piao，Curr Appl Phys.5(2005)，426.)等通过表面接枝的方法将PAN接枝在壳聚糖的纤维上，然后对接枝的PAN进行水解，制备了人工肌肉，该人工肌肉在甲醇溶液中在20s-30s内就能发生收缩，在水中不到10s就能发生膨胀。毛等还将纤维制成了织物并研究了其响应性能。

东华大学的顾利霞等[L.w.Yu，J.Y.Xu，L.X.Gu，Polym Int57(2008)，1017.]在凝胶纤维的制备及性能研究方面做了很多有益的探索。该课题组将聚丙烯腈(PAN)在NaOH水溶液中进行碱解，然后与大豆分离蛋白(SPI)及明胶等共混，挤到凝固浴中凝固、交联，制备水解聚丙烯腈(HPAN)/SPI和(HPAN)/Ge水凝胶纤维。通过测定凝胶纤维在不同pH下的平衡溶胀伸长率，观察到凝胶纤维滞后和可逆的伸长/收缩行为。

与传统凝胶相比，凝胶纤维在人工肌肉方面的应用有以下优势：