[发明专利]一种光驱动形状可编程MXene复合水凝胶驱动器及其制备方法

说明书

本发明公开一种光驱动形状可编程MXene复合水凝胶驱动器及其制备方法，通过可聚合MXene纳米单体与热敏PNIPAM水凝胶原位自由基共聚而形成。由于利用低电场可以控制MXene的分布和水凝胶网络的各向异性，所以通过对ITO电极图案、直流电场方向和掩膜辅助紫外聚合的控制，开发了各种生物激发的可编程各向异性水凝胶驱动器。本发明提供了可编程和可重构智能驱动器的开发新见解，并且可以在各种领域具有应用前景。

技术领域

本发明涉智能软体机器人的技术领域，具体涉及一种光驱动形状可编程MXene复合水凝胶驱动器及其制备方法。

背景技术

生命有机体和生物系统中，能够在外部刺激下产生力或运动的智能驱动无处不在。例如，人类行为动作通常是通过神经信号触发具有纵向排列的圆柱形肌纤维骨骼肌，进而收缩产生机械力驱动形成。许多植物(例如松果)在潮湿环境开闭运动，主要是通过具有各向异性取向纤维素原纤维的细胞或组织吸水和脱水产生。所以，结构各向异性对生物系统中力的产生和大规模运输起着重要的作用。从自然中汲取灵感，人们广泛致力于开发基于各种智能感应软材料(如液晶、液态金属和聚合物水凝胶)的人工软驱动器。其中，水凝胶驱动器因具有肌肉组织柔软性和优越生物相容性，引起了人们极大关注，并在人工肌肉、软机器人、药物释放和组织支架工程等多个领域显示出良好的应用前景。一般来说，水凝胶驱动器在各种外部刺激(如湿度、温度、光、pH值和磁场/电场等)下可逆变形与水吸收和释放造成的体积变化有关。传统的均质、各向同性微观结构的水凝胶驱动器，在均匀外部刺激下只能产生简单的各向同性收缩和膨胀。针对上述问题，各向异性纳米材料的引入，特别是二维功能纳米颗粒的引入，不仅可以提高聚合物水凝胶的力学性能，而且赋予了水凝胶驱动器新的功能。二维MXene纳米材料由于良好的亲水性、优异的热导率/导电性和高的光热转换效率特性引起了人们越来越多的关注。最近报道了几种刺激响应的MXene驱动器，包括以MXene作为柔性电极材料的电化学驱动器、MXene湿度驱动器、以及叶子激发MXene多重响应驱动器。预计各向异性MXene和各向同性水凝胶的“结合”将有可能使生物激发的MXene/水凝胶驱动器具有更多的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决水凝胶各向异性方法构筑技术的不足，提供一种光驱动形状可编程MXene复合水凝胶驱动器及其制备方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种光驱动形状可编程MXene复合水凝胶驱动器，包括单体、可聚合MXene纳米单体聚合得到水凝胶，水凝胶的至少一个空间维度上产生孔隙变化和/或梯度交联密度。

在上述技术方案中，单体为可聚合的单体，如N-异丙基丙烯酰胺、N、N'-甲基双丙烯酰胺。

在上述技术方案中，通过引发剂引发聚合，引发剂为光引发剂，如2-羟基-2-甲基丙苯酮(Darocur 1173)。

在上述技术方案中，通过电场对含有单体、可聚合MXene纳米单体的前体溶液的作用，以使可聚合MXene纳米单体产生浓度梯度，经聚合后使水凝胶产生梯度交联密度。

在上述技术方案中，由于MXene是带负电的，在电场中就会向正极侧聚集，正极侧的MXene浓度高就会使水凝胶产生高的交联密度，反之，负极侧的交联密度就会降低。

在上述技术方案中，可聚合MXene纳米单体，包括经氢氟酸蚀刻，四丙基氢氧化物(TPAOH)插入来合成的超薄MXene，在MXene上与带正电荷的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)静电作用并结合，在碱性条件下，以四乙基硅酸盐(TEOS)为硅源，在MXene吸附了CTAC的表面原位生长介孔硅层，形成MXene@SiO₂；通过硅烷化将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)接枝到MXene@SiO₂表面，得到可聚合MXene纳米单体。