[发明专利]一种仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器及制备方法和应用。本发明的复合水凝胶纤维制动器由温敏性N‑异丙基丙烯酰胺与、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯和CNC悬浮液通过光引发自由基聚合形成的复合水凝胶纤维，纤维素纳米晶嵌于其中调节网络密度。该复合水凝胶纤维具有沿径向的环月状不对称网络结构，类似于植物藤蔓的截面结构，且具有热响应性，在热刺激下发生类似植物藤蔓的螺旋运动。本发明的制备方法简单易行。本发明的原材料具有优异的生物相容性，因此，本发明的水凝胶纤维致动器在软体机器人、人工肌肉、药物控制释放系统、组织工程等人工智能及生物医用材料领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器及制备方法和应用，属于纳米复合水凝胶致动器及其制备技术领域。

背景技术

软体水凝胶驱动器受自然界生物体的启发，可以对环境刺激做出响应，产生形状转变，在药物传递、软体机器人、组织工程及智能材料领域具有广泛的应用前景。水凝胶的形状转变从根本上依赖于溶胀的空间非均匀性，与水的吸收/释放有关的体积变化的不匹配驱动水凝胶的形状变化。在自然界中，植物藤蔓自然地形成螺旋状，以获得阳光和生态位。这种水合作用诱导的植物运动是由于局部胀大行为的差异造成的，而胀大行为主要是由背腹细胞的不对称微观结构决定的。卷须横截面区域包含从螺旋腹侧内层到背侧外层的纤维状木质化网络梯度，这与多孔密度的变化有关。与外层相比，木质化程度更高、多孔密度更大的腹侧层允许压缩和收缩，从而排出更多的水分，导致卷须弯曲，然后卷曲。因此，植物卷须可以被认为是一种具有纤维网络定向孔隙度梯度的纳米复合水凝胶。

为了实现水凝胶驱动器的仿生微观结构，一种具有代表性的策略是引入纳米粒子，使其沿厚度方向形成交联密度梯度，从而使水凝胶驱动器能够卷曲。然而，这些方法大多集中在三维块体或二维层状水凝胶，很少有方法涉及水凝胶纤维。而事实证明，具有扭曲和盘绕设计的纤维状驱动器具有较高的能量密度，可以产生较大的运动，并能在软体机器人中实现更普遍的自动化。

纤维素纳米晶体(CNC)具有稳定的水分散性和亲水性，被认为是网络介质的理想候选材料之一。将CNC嵌入到水凝胶基体中，可以在单个系统中获得连续结构。此外，高纵横比避免了物理纠缠，使均匀分散的CNC具有支持3D网络的能力。例如，以海参皮肤为灵感的水凝胶已经被报道，它以CNC作为渗透网络，在外界刺激下具有柔性-刚性过渡，这取决于CNC的吸引和排斥相互作用。因此，可以设想采用CNC作为介质来调节水凝胶的不对称网络，实现可逆的动态过渡。

发明内容

本发明解决的技术问题是：如何获得一种仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器，是由N-异丙基丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯和浓度＜4wt％的纤维素纳米晶悬浮液通过光引发自由基聚合形成的复合水凝胶纤维；所述的复合水凝胶纤维具有沿径向的环月状不对称网络结构和温敏性；其中，纤维素纳米晶呈梯度浓度分布于凝胶中，用以调节凝胶网络密度。

优选地，所述纤维素纳米晶悬浮液的浓度为1-3wt％，所述N-异丙基丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯与悬浮液的质量比值分别为：9～10％、0.13～0.14％、1.3～1.4％。

本发明还提供了上述的仿藤蔓纳米复合水凝胶纤维致动器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：首先将纤维素纳米晶分散在水中，配制成浓度＜4wt％的均匀悬浮液；首先称取一定量的直径为20-30nm，长度为200-300nm的纤维素纳米晶(CNC)分散在水中，配置成均匀的CNC悬浮液；

步骤2：取步骤1所得的悬浮液，加入一定比例的N-异丙基丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯以及光引发剂混合均匀，配制成水凝胶纤维前驱体液；