[发明专利]含有过量活性分子的智能聚合物材料

说明书

本发明是依据美国国家科学基金会(National Science Foundation)所授予的IIP STTR授权号0848528在政府的支持下完成的。因此，美国政府在本发明中享有某些权利。

在一段时间内，智能聚合物、电活性聚合物(EAP)凝胶、水凝胶、以及药物洗脱聚合物凝胶都是人们广泛开发研究的课题。目前大多数文献指出这些中的每一种就像是一个特定学科或材料类别，如果从分子工程方法来看，这些材料中的大多数材料都有共同的作用机理：具有活性或者非活性分子单元或位点的三维(3D)聚合物基质的物理变化或者溶胀和消溶胀。这些结构是基于交联凝胶，交联凝胶在特定分子位点中通过使用各种聚合物引发(如自由基、热、光、氧化还原、阴离子、阳离子、配位)和增长方法(如逐步生长、链增长、开环)以及不同的聚合物类型(如加成、缩合)形成共价交联。

3D聚合物网络对特定的溶剂或电解质的亲合力，使凝胶溶胀或者消溶胀。网络通常被定义为亲水或疏水的，这是由在聚合物链中的分子单元的性质决定的。疏水性或亲水性是由溶剂和电解质与分子单元相互作用的热力学参数所决定的。将电荷引入到聚合物基质中可以显著改变热力学参数，从而改变与溶剂或电解质的相互作用的性质。溶剂或电解质的吸收或排出动力学受聚合物3D网络的孔隙度、密度和表面积，以及扩散定律的影响。一般来说，结构的孔隙度越高，则吸收或排出溶剂越快，但是若聚合物凝胶用作致动器，则孔隙度越高，负载下聚合物的稳定结构越少。尽管如此，我们发现通过在致动器设计中增加聚合物的表面积，可以克服这个限制。

根据本发明，通常认为结构不坚固的聚合物凝胶，作为机械驱动设备是非常有用的，以至于探讨的环氧聚合物凝胶，能被设计来满足各种特定的性能要求。更特别地，我们已经确定，通过改变凝胶中的活性分子的数量、类型和比例，可以分子设计化学动力学、最终产品、物理性质包括3D聚合物基质的溶胀和消溶胀所产生的速度和力。此外，聚合物链长度会通过溶胀反应的大小和链上的分子数量影响致动器，从而产生力。更重要的是我们的发现表明，结合的分子活性单元会提供有效驱动力，并且这些活性分子可以在聚合工艺中保持不发生反应，其中活性分子然后被用于有效地增加由致动器产生的速度和力。因此可以调整分子活性单元的数量、种类和比例，以产生致动器实际应用所需的力。分子活性单元的静电荷的比率和密度，以及对所使用的溶剂或电解质的亲合力，通过质子化或去质子化在凝胶致动性能中起重要作用。质子化是为原子、分子或离子增加质子(H⁺)。去质子化是从分子中除去质子(H⁺)，形成共轭碱。

分子放弃质子的相对能力是由其pKa值来衡量的，一些分子可以有多个解离pKa值和不同的pH值水平。可以根据所需的性能使用电解质分子或离子。可以根据pKa值混合电解质，这将改变聚合物的性能和溶胀范围。

我们还意外地发现，过量的活性单元并不需要成为聚合物链的一部分，而是可以简单地将其放置或者缠结入聚合物基质中，以对凝胶性能特点产生重大影响。之前我们报道¹了环氧-胺水凝胶合成的结果和凝胶特性。本发明扩展了我们在用于工业品或消费品中的致动器所需要的各种条件下，对环氧聚合物凝胶致动器性能的研究。

通过将支化聚乙烯胺聚合物如支化吖丙啶(Ethyleneimine)或聚醚胺(Jeffamine)T-403，与二-环氧聚(乙二醇)缩水甘油醚(PEGDGE)化合物反应，制备的环氧胺水凝胶是水溶性的且容易聚合的。

本发明的进一步特点和优点将在发明内容中结合附图进行描述，其中：

图1示例了聚醚胺(Jeffamine)T-403聚乙二醇缩水甘油醚与水合成凝胶的路线示意图；

图2示例了醋酸钠膨胀凝胶的水合和电解路线；

图3显示的是使用一个聚合物致动器制剂，不同的电解质的冲程比例；

图4显示的是具有不同分子量的PEGDGE，NH/OH比例为1.0的凝胶的被动溶胀；

图5显示的是具有平均PEGDGE链长，不同的活性分子NH/OH比率的致动器凝胶配方的水合作用；

图6对比了在醋酸中，聚合物分解前连接的链对最大溶胀的影响；

图7是显示对比不同的链与NH/OH连接的被动水合压力生成的曲线图；

图8是显示不同的NH/OH比例冲程速度比较的曲线图；

图9是显示不同NH/OH比例的PEGDGE凝胶电致动垂直冲程比例的曲线图；