[发明专利]利用光吸收剂一步制备3D自变形双网络水凝胶的方法

说明书

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种利用光吸收剂一步制备3D自变形双网络水凝胶的方法，先制备含有紫外光吸收剂的聚电解质/AM前驱体溶液，然后将预先设计的光掩模覆盖到玻璃模具的表面上，并将聚电解质/AM前驱体溶液注射到玻璃模具，用365nm紫外灯单向或双向光照3h～4h，得到各向异性聚电解质/PAM双网络水凝胶；将其从玻璃模具中取出，其在空气中自发地转化为预先设计的3D构型，从而得到3D自变形双网络水凝胶；通过在前驱体溶液中加入光吸收剂，在水凝胶内引入内应力，一步合成复杂高强度3D自变形双网络水凝胶，其制备方法简单，能构建各种复杂3D构型，为3D自变形水凝胶的开发提供理论指导与技术借鉴。

技术领域：

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种利用光吸收剂一步制备3D自变形双网络水凝胶的方法。

背景技术：

智能变形现象在自然界中普遍存在，对于生物系统维持各种复杂的生命活动至关重要。在瞬息万变的外部环境中，生物可以不断地感知、适应和响应各种各样的外部刺激(如光、热、电场、磁场和pH)。例如，由于非均质纤维素纤维的不同溶胀行为，植物组织可以通过感知环境湿度变化而可逆地、有效地进行智能变形。受自然界的智能形状变形的启发，可以改变几何形态以响应适当的环境刺激的仿生智能材料的研究保持了蓬勃发展的势头。特别是，自发变形的仿生水凝胶材料的研究已经取得了很大的进展，这种材料可以在各种外部刺激下呈现可逆的形状变化，其在软体机器人、仿生执行器、生物传感、药物释放等领域展现出广阔的应用前景。

现有的设计策略是通过离子印刷、光刻、电场、磁场和预存能量的图案化等方式在2D水凝胶片内构建各向异性结构，施加适当的外界刺激后，引发各向异性的应变变化，从而使凝胶片自发变形成复杂的3D构型，但在去除刺激后会恢复到初始的2D状态，这种二维几何状态的水凝胶材料不可避免地阻碍了变形行为的复杂化和应用的丰富性。为解决上述问题，科学家们利用3D打印技术，通过控制纳米填料的取向或在不同层中引入不同成分来制备3D水凝胶材料。然而，这些3D打印技术不能将复杂的三维几何结构和各向异性微结构结合到一个水凝胶，不适合复杂的三维水凝胶驱动器的构建。此外，现有的水凝胶材料普遍存在力学性能差的问题。

发明内容：

本发明的目的是要解决传统自变形水凝胶构建策略难以同时兼顾复杂的三维水凝胶构型和各向异性的微观结构，以及水凝胶材料力学性能有限的难题，本发明基于一种新发现且普遍的现象，即聚电解质/PAM双网络水凝剂在聚合过程中由于PAM网络与聚电解质之间形成了大量的氢键与静电相互作用从而发生自发收缩的现象，提供一种利用光吸收剂一步制备3D自变形双网络水凝胶的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用光吸收剂一步制备3D自变形双网络水凝胶的方法，具体步骤如下：

(1)制备含有紫外光吸收剂的聚电解质/AM前驱体溶液；(2)根据不同3D构型的需要，将预先设计的光掩模覆盖到玻璃模具的表面上，并将聚电解质/AM前驱体溶液注射到玻璃模具中，随后将玻璃模具固定到波长365nm的紫外(UV)灯下，进行单向光照或双向光照3h～4h，得到各向异性聚电解质/PAM双网络水凝胶；

(3)将聚合得到的聚电解质/PAM双网络水凝胶从玻璃模具中取出，其在空气中自发地转化为预先设计的3D构型，从而得到聚电解质/PAM 3D自变形双网络水凝胶。

所述聚电解质为壳聚糖、聚亚胺、海藻酸钠、羧甲基纤维素或聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)。

所述紫外光吸收剂为氧化石墨烯、UVF-22或3-[3-(2-H-苯并三唑-2-基)-4-羟基-5-叔丁基苯基]-丙酸-聚乙二醇300酯。

所述步骤(1)的具体步骤为：将丙烯酰胺、聚电解质、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、紫外光吸收剂和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到去离子水中，搅拌混合均匀，得到聚电解质/AM前驱体溶液。