[发明专利]一种可循环响应的水凝胶促动器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可循环响应的水凝胶促动器及其制备方法。针对水凝胶促动器响应具有的单向性的局限，通过pH响应凝胶构建的双层结构与酶促反应结合，可以使促动器实现自发的循环响应。向由刺激响应水凝胶制成的促动器置于含有底物的特定pH值的溶液中，则凝胶受pH变化刺激产生响应而形变。随着凝胶中的生物酶与反应底物发生反应，反应产物使得溶液的pH值发生变化，当pH达到一定值时，复合凝胶受pH变化的刺激而恢复形状。通过调整底物的浓度，可以调控响应的时间长度，通过反复添加含底物的酸性缓冲液，可以使得体系再次重复此循环过程，从而实现水凝胶促动器自发的循环响应。

技术领域

本发明属于水凝胶促动器技术领域，具体涉及一种可循环响应的水凝胶促动器及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着世界经济发展和现代科技进步，各行业对智能材料的需求也日渐提升。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，能够感应、判断外部刺激而进行响应，是目前材料研究发展的重要方向，而由智能材料所制成的促动器则是目前各领域的研究热点。

刺激响应水凝胶具有稳定性高、亲水性高、可调控性高、组织亲和性高的优点，因此成为促动器材料的优秀选择。目前的水凝胶促动器在受到刺激后虽然可以做出体积变化或形状变化的响应，但这种响应是单向的，即施加一次刺激后只会进行一次特定的响应，目前尚欠缺自发的、循环的水凝胶响应机制。现有的循环响应机制需要与高毒性的pH振荡反应外部耦合，在生物安全性和便利性方面都有待提升，因此实现水凝胶促动器自发的循环响应具有重要的意义。

发明内容

针对水凝胶促动器响应具有的单向性的局限，本发明提供了一种可循环响应的水凝胶促动器及其制备方法。通过pH响应凝胶构建的双层结构与酶促反应结合，可以使促动器实现自发的循环响应。

具体地，本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种可循环响应的水凝胶促动器的制备方法，包括如下步骤：

(1)在容器中加入制备凝胶A所需的单体、响应单体、交联剂、促进剂、引发剂、染色剂和去离子水，混合均匀后迅速加入引发剂搅拌，迅速倒入模具中静置，形成凝胶A层；

(2)在另一容器中加入制备凝胶B所需的单体、交联剂、促进剂、生物酶和去离子水，混合均匀后，快速加入引发剂搅拌溶解，之后迅速倒入含有凝胶A层的模具中静置片刻，形成双层凝胶结构；双层结构成型后小心取出，切割后即成水凝胶促动器。

本发明中提出，凝胶A中含有具有pH响应性的带pH响应基团的单体，即甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)或丙烯酸(AA)，此单体的分子结构中既含有叔胺基或羧基，又含有可用于聚合的双键，在特定pH值下可以发生质子化或去质子化，因而其均聚物或者共聚物具有pH值敏感性。因此，在酸性条件或碱性条件下，凝胶A的聚合物主链上发生质子化或去质子化而显电性，链间排斥力增大，链间距增大，宏观上表现为体积增大。

根据本发明优选的，所述的凝胶A是由单体丙烯酰胺(AAm)、响应单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)或丙烯酸(AA)、交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAAm)、在引发剂过硫酸铵(APS)以及促进剂四甲基乙二胺(TEMED)的作用下形成的水凝胶，在制备过程中加入少量炭黑进行染色，因此凝胶A呈黑色。

进一步优选的，凝胶A中丙烯酰胺的浓度为1.6～1.7mol/L，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)或丙烯酸的浓度为0.8～0.9mol/L，亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.03mol/L，四甲基乙二胺的浓度为0.1mol/L，过硫酸铵的浓度为0.05mol/L，炭黑的浓度为1～2mg/mL。