一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法技术

一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法，其特点是，包括三部分组成：首先，通过天然的高分子聚合物海藻酸钠和羧化壳聚糖进行生物交联反应，获得生物相容性优良且具有双性电致动行为的生物质凝胶电致动膜；其次，利用海藻酸钠与MXene表面官能团之间的氢键协同作用，以直接水浴共混配制出非金属电极膜溶液，其成膜后具有高电导率、耐弯折且安全无毒；最后，依次将电致动膜与电极膜溶液交替叠层构筑，形成具有类多层“汉堡”结构的人工肌肉器件，它的内部界面合成层附着良好，增强了响应变形量、可逆致动性和运动范围，即表现出十分优异的电

【技术实现步骤摘要】
一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法


[0001]本专利技术涉及一种人工肌肉器件的构筑工艺方法，特别是涉及一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法。

技术介绍

[0002]传统的动力系统，如内燃机，已被广泛地应用于各种装置设备之中；但是，要使它们再现生物体的运动形式仍然存在着诸多局限性，例如难以实现小型化和受迫连续运行。继而，人工肌肉应运而生，它是指一种能够对特定的刺激响应而产生可逆地收缩和膨胀变形，以复制生物体运动行为的器件，这类似于生物肌肉对神经信号的反应现象。目前，用于人工肌肉器件研发的材料有多种，如聚合物纤维、弹性体及形状记忆合金；则基于不同的构成材料，人工肌肉器件可以获得所期望的性能，例如输出力大与响应速度快。然而，它们也共同具有着一些缺点，如响应变形量小、生物相容性差和可逆致动性不足。因此，开发一种机理明确、简单实用、绿色环保的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法，用以提升其响应变形量、生物相容性、可逆致动性和运动范围，这对于推动人工肌肉器件的多领域发展及广泛应用，具有重要价值与意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，操作简便，绿色环保，适用性强，效果佳的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法。其方法选用最优化生物交联质量比和构筑工艺参数，从而得到了具有响应变形量大、生物相容性好、可逆电致动快速及运动范围广的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件；进一步，阐释本专利技术先进的构筑方法的机理与多层三维结构，这为人工肌肉器件的性能构筑和应用拓展提供了新思路。
[0004]本专利技术的目的是这样实现的：一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法，其特征是，它包括以下步骤：
[0005](1)制备生物质凝胶电致动膜：依次向两个盛有25ml蒸馏水的烧杯中分别加入0.625g海藻酸钠和0.625g羧化壳聚糖粉末，均置于50℃水浴中匀速搅拌至完全溶解，将得到共混交联溶液中倒入0.2g十二烷基硫酸钠，以800r/min匀速搅拌10min，再逐滴加入丙三醇3ml，直至溶液被搅拌均匀，将得到的生物质凝胶电致动膜溶液倒入Φ12cm培养皿，在超声清洗机内震荡脱泡2次，每次15min，频率20KHz，将其水平放进真空恒温干燥箱内，温度50℃、干燥28h、真空度
‑
0.085MPa，得到生物质凝胶电致动膜；
[0006](2)配制非金属电极膜溶液：将装有40ml蒸馏水和0.24g海藻酸钠的烧杯，置于磁力搅拌器中，水浴恒温加热50℃、600r/min匀速搅拌15min，再逐滴加入10ml已二次分散的MXene水分散液，继续搅拌15min；再滴加＜1ml丙三醇，至溶液充分混合，得到非金属电极膜溶液；
[0007](3)人工肌肉器件的构筑成型：采用类多层“汉堡”结构，依次将生物质凝胶电致动膜与非金属电极膜溶液在Φ12cm培养皿中，交替叠层地浇筑成型；待其在真空恒温干燥箱
内，温度50℃、干燥11h、真空度
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0.085MPa成膜后，再起出经滤纸包裹，并水平放置于气动热压机的托盘中央，对人工肌肉器件进行等温等压地紧合及平整修正，设定压力值1KPa、温度50℃、热压时间15min；最后，将其裁剪成为长条状，制成人工肌肉器件的构筑，且密封存储于PE保鲜膜中。
[0008]进一步，所述海藻酸钠为分析纯，90％。
[0009]进一步，所述羧化壳聚糖为生物试剂，水溶性。
[0010]进一步，所述MXene水分散液为固含量≈10.4％。
[0011]进一步，所述十二烷基硫酸钠为化学纯。
[0012]进一步，所述丙三醇为化学纯，≥99.0％。
[0013]进一步，在所述生物质凝胶电致动膜溶液中：海藻酸钠浓度为12.5mg/ml，海藻酸钠与羧化壳聚糖的溶解质量比1:1。
[0014]进一步，所述非金属电极膜溶液中的海藻酸钠浓度6mg/ml，磁力搅拌器的转速为120r/min。
[0015]本专利技术天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法具有科学合理，操作简便，绿色环保，适用性强，效果佳的优点。进一步优点体现在：
[0016]第一，海藻酸钠是聚阴离子高分子，其分子链上富含羧基；羧化壳聚糖属于典型的聚阳离子高分子，其内部结构链上含有大量氨基。因而二者在水溶液中，由于它们各自所带有的相反电荷，可产生高分子链间的强烈静电作用，极易共混交联形成绿色天然的双性生物质凝胶高聚物。它可在聚合性能上产生协同作用，进而发挥出二种天然高分子材料的自身优点，具有结构多样化、活性基团点多、可完全生物降解，用于构筑双性生物质人工肌肉器件极具发掘前景及应用价值。
[0017]第二，新二维陶瓷材料(MXene)兼具有近乎于金属的稳定电导率和优异的亲水性，它又可以有效地克服了石墨烯的易受氧化或表面改性影响，而严重丧失自身导电能力的缺陷。所以，将MXene掺杂引入海藻酸钠高分子后，能够显著提高其所形成的生物质凝胶高聚物的导电性与导热性能。进一步，利用海藻酸钠与MXene表面官能团之间的氢键作用，来制备人工肌肉器件的非金属电极膜，它具有良好的导电性、耐弯折且安全无毒，可替代传统易氧化的金属电极。
[0018]第三，生物质凝胶人工肌肉器件采用类多层“汉堡”的结构形式进行构筑，使其堆叠紧密且具有良好的电致动取向性，更促进了内部带电离子迁移与累积。经过生物质凝胶电致动膜溶液和非金属电极膜溶液的反复交替浇筑及凝胶固化，则所构筑的人工肌肉器件在其多层结构间的界面周围形成了叠加网络，从而导致界面合成层附着良好，增强了天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的响应变形量、可逆致动性和运动范围，即表现出十分优异的电
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化学
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机械性能。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法流程图；
[0020]图2是本专利技术的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的宏观多层结构示意图；
[0021]图3是本专利技术的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的生物质凝胶电致动膜层的内部微观结构的扫描电镜图像；
[0022]图4是本专利技术的天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的生物质凝胶电致动膜及其天然高分子组分
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海藻酸钠和羧化壳聚糖的红外光谱曲线图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术做进一步详述：
[0024]如图1所示，本专利技术的一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法，其流程主要可分为三个阶段：制备生物质凝胶电致动膜、配制非金属电极膜溶液以及人工肌肉器件的构筑成型。同时，整个构筑工艺方法简单可控、生产效率高且环境友好，得以大批大量地实现类多层“汉堡”结构的凝胶人工肌肉器件。
[0025](1)生物质凝胶电致动膜的制备工艺过程：
[0026]首先，设置磁力搅拌器的加热温度50℃，将两个装有25ml蒸馏水的小烧杯置于搅拌器中，进行水浴加热。待温度达到后，用电子分析天平分别称取0.2g十二烷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然双性生物质凝胶人工肌肉器件的构筑方法，其特征是，它包括以下步骤：(1)制备生物质凝胶电致动膜：依次向两个盛有25ml蒸馏水的烧杯中分别加入0.625g海藻酸钠和0.625g羧化壳聚糖粉末，均置于50℃水浴中匀速搅拌至完全溶解，将得到共混交联溶液中倒入0.2g十二烷基硫酸钠，以800r/min匀速搅拌10min，再逐滴加入丙三醇3ml，直至溶液被搅拌均匀，将得到的生物质凝胶电致动膜溶液倒入Φ12cm培养皿，在超声清洗机内震荡脱泡2次，每次15min，频率20KHz，将其水平放进真空恒温干燥箱内，温度50℃、干燥28h、真空度
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0.085MPa，得到生物质凝胶电致动膜；(2)配制非金属电极膜溶液：将装有40ml蒸馏水和0.24g海藻酸钠的烧杯，置于磁力搅拌器中，水浴恒温加热50℃、600r/min匀速搅拌15min，再逐滴加入10ml已二次分散的MXene水分散液，继续搅拌15min；再滴加＜1ml丙三醇，至溶液充分混合，得到非金属电极膜溶液；(3)人工肌肉器件的构筑成型：采用类多层“汉堡”结构，依次将生物质凝胶电致动膜与非金属电极膜溶液在Φ12cm培养皿中，交替叠层地浇筑成型；待其在真空恒温干燥箱内，温度50℃、干燥11h、真空度
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0.085MPa成膜后，再起出经滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊杰，姚金彤，杨雄飞，王思永，马莹莹，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：