[发明专利]一种温度响应的水凝胶人工肌肉及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种温度响应的水凝胶人工肌肉及其制备方法与应用，所述方法包括：将N‑异丙基丙烯酰胺、3‑磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐、丙烯酰胺、交联剂、引发剂和促进剂按比例溶解于硫酸水解的海鞘纤维素纳米晶体水分散液中，获得混合液；后将所述混合液注入模具中聚合，得到化学交联水凝胶；将所述化学交联水凝胶进行连续取向操作，得到螺旋形水凝胶；将所述螺旋形水凝胶浸泡在锆盐溶液中，得到水凝胶人工肌肉。该水凝胶人工肌肉可以通过温度刺激实现伸缩形变，可应用于软驱动器机器人。

技术领域

本发明涉及化学化工、高分子功能材料技术领域，特别涉及一种温度响应的水凝胶人工肌肉及其制备方法与应用。

背景技术

与长期以来用于驱动机器人和假肢设备的电磁致动器和流体动力致动器不同，人工肌肉是一类低重量、柔韧性良好的致动器，当外部环境发生变化时(如电、温度、光、溶剂等)，它可以可逆地收缩、伸展、旋转或弯曲，克服了这些传统致动器的刚性、笨重、收缩行程小的缺点，在小型化软机器人和生物医学设备中具有多种应用。因此，许多类型的人工肌肉得到了迅速发展，在生物医疗应用场景中显示出了巨大的潜力。

水凝胶作为一类极为亲水的三维网络结构凝胶，有高含水量，高渗透率，柔软以及生物兼容性高等特点，这些性质非常接近人体软组织的构造，对于人工肌肉的构建具有明显的优势。尽管目前报道的水凝胶人工肌肉表现出优异的工作能力和高稳定性，但受到网络结构简单、交联密度低、交联形式单一的限制，导致其响应速度慢、响应形变量小、功能性单一，极大限制了实际应用场景。

因此，目前如何制备快速温度响应水凝胶人工肌肉仍是一个挑战。

发明内容

本发明目的是提供一种温度响应的水凝胶人工肌肉及其制备方法与应用，本发明的温度响应的水凝胶人工肌肉得益于对温度的快速的、可循环的响应，可应用于软驱动器机器人。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在本发明的第一方面，提供了一种温度响应的水凝胶人工肌肉的制备方法，所述方法包括：

将N-异丙基丙烯酰胺、3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐、丙烯酰胺、交联剂、引发剂和促进剂按比例溶解于硫酸水解的海鞘纤维素纳米晶体水分散液中，获得混合液；后将所述混合液注入模具中聚合，得到化学交联水凝胶；

将所述化学交联水凝胶进行连续取向操作，得到螺旋形水凝胶；

将所述螺旋形水凝胶浸泡在锆盐溶液中，得到水凝胶人工肌肉。

进一步地，所述硫酸水解的海鞘纤维素纳米晶体水分散液为采用硫酸水解法制备得到的海鞘纤维素纳米晶分散于去离子水中得到的悬浮液。

进一步地，所述N-异丙基丙烯酰胺、3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐、丙烯酰胺、交联剂、引发剂、促进剂、硫酸水解的海鞘纤维素纳米晶的质量比为4～8：5～15：1～2：0.1～0.4：0.1～0.4：0.04～0.16：0.3～0.6，其余的为去离子水。

进一步地，所述N-异丙基丙烯酰胺和3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐的摩尔比为5.5～7.5：2.5～4.5。

进一步地，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂为过硫酸钾，所述促进剂为四甲基乙二胺。

进一步地，所述聚合的条件为：20～30℃下聚合8～15h。

进一步地，所述化学交联水凝胶进行连续取向操作，得到螺旋形水凝胶，包括：

将所述化学交联水凝胶拉伸至原长的3.5～4.5倍，在25～35rpm转速下加捻，得到一系列加捻密度的水凝胶，再将其螺旋缠绕在直径2.5～3.5mm的聚四氟乙烯管道外侧，得到螺旋形水凝胶。

进一步地，所述锆盐溶液为0.05～0.2mol/L的氯氧化锆溶液。