電場響應智能凝膠仿生驅動器的制備

李達 楊超（四川大學江安校區2011級化學工程學院）

引言

敏感水凝膠(Sensitive Hydrogel)是由液體和聚合物分子網兩部分組成，液體填充在聚合物分子網的空隙中，從而形成了一個凝膠體系，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物質進行交換。

因為外部環境變化對智能水凝膠的影響是一個可逆過程，并且認為調控方便，所以可以將其在化學開關，形狀記憶材料，藥物控制釋放材料等[7]的運用，從而使得智能性水凝膠在微機械、生物醫藥和仿生工程等領域中的應用具有相當廣泛的前景。

在外界的各種刺激因素中，因為電場的調控，所以水凝膠電刺激響應比其它種類的智能水凝膠更有優勢，從上世紀90年代開水，電場敏感水凝膠便的成為研究的焦點之一[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鍵相結合的且離子化的基團，所以這種凝膠一般是在物理或者是化學的作用下，由帶有離子基團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

據相關的資料表明，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]研究發現，將丙烯酸與乙烯磺酸鈉單體、交聯劑為N,N-甲基二丙烯酰胺、引發劑為過氧化二硫酸銨同時溶解于水中，用玻璃棒攪拌一段時間后，引入玻璃培養皿中，然后烘干，生成一種名為丙烯酸-乙烯磺酸鈉的無規共聚交聯膜。把該交聯膜浸漬在0.9%的N a C l溶液中，并放入-對鉑電極，在施以電壓后，水凝膠體積會發生明顯的收縮改變，所以Kim等一致認同該材料有著巨大應用潛力。

Krause、Yao[16]對苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物進行了磺酸化的處理，生成了一種帶有磺酸基的交聯共聚物水凝膠，當在鹽酸的溶液中的水凝膠達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，當在去離子水中的水凝膠達到溶脹平衡點后，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，目前研究者們發現還可用易操作、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，進而將其制作成膜或者進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水凝膠纖維。

（3）聚合物互穿網絡

為了達到水凝膠的力學性能增加的目的，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絡的水凝膠。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絡的水凝膠膜。

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點和優勢，首先它的力學性能相當優秀、在電場的作用下有相當迅速的響應速度，不過大多數合成高分子的生物降解性和相容性較差這一明顯的缺點，限制了它在生物醫藥方面的大面積推廣應用。

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

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，能夠達到快速收縮和彎曲的效果。

三、應用與展望

1.應用

電場敏感水凝膠可以把電能轉化為機械能，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，并發現尺寸為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%以內的反復可逆變化。

電廠水凝膠的敏感性中應用廣泛，除此以外，它還可以運用到傳感器，轉化裝置、生物電子學等多個方面。

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藥等領域的推廣應用。相對于現在而言，電場敏感性水凝膠的抗疲勞壽命、響應速度以及力學性能也有待更進一步的提高。

[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[J],1995,（2）:103-111.

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