一种双层水凝胶材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及智能水凝胶驱动器技术领域，尤其涉及一种双层水凝胶材料及其制备方法和应用。本发明专利技术所述双层水凝胶材料中的PVA含有丰富的羟基，利于氢键的形成，在对其进行冻融处理的过程中，原位形成含微晶的复合水凝胶层；在所述含微晶的复合水凝胶层中的微晶区域会促使复合水凝胶的密度、强度和热稳定性性能的提高，从而改善所述复合水凝胶的性能；同时还可以改变所述复合水凝胶的溶胀行为，进而造成含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层之间具有不同的溶胀行为，并利用该不同的溶胀行为构建双层水凝胶材料。溶胀行为构建双层水凝胶材料。溶胀行为构建双层水凝胶材料。

【技术实现步骤摘要】
一种双层水凝胶材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及智能水凝胶驱动器
，尤其涉及一种双层水凝胶材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]智能水凝胶驱动器是一类在刺激作用下能够可逆地获得/失去水分子，从而改变滋生形状或体积的智能响应装置，其在仿生、智能阀门、软体机器人和生物医药等领域均具有潜在的应用。一般来说，构建凝胶驱动器的方法主要包括在凝胶中引入双层结构、梯度结构、图案结构后者定向结构，从而诱导凝胶产生各向异性的溶胀以及驱动行为。在众多的方法中，构建双层结构的水凝胶是最为常见的一种方式，为了实现智能响应行为目前主要包括三种方式：第一，在两层凝胶结构中引入不同含量的纳米粒子(粘土、碳纳米管或二氧化硅等)或者纤维素微晶，构件具有不同溶胀和响应灵敏度的双层结构来实现驱动器的构建：例如，褚良银课题组(Poly(N
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isopropylacrylamide)
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clay nanocomposite hydrogels with responsive bending property as temperature
‑
controlled manipulators.Adv.Funct.Mater.2015,25,2980
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2991.)开发了一系列聚(N
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异丙基丙烯酰胺)
‑
粘土纳米复合水凝胶可作为温敏驱动器，将粘土纳米片引入水凝胶中，不仅可以作为物理交联剂提高水凝胶的机械强度，而且可以调节水凝胶的热致收缩率，通过调控粘土在水凝胶双层结构中的含量，从而实现凝胶的驱动行为。第二，可将具有不同响应行为和功能的聚合物链作为双层来构建水凝胶致动器：张俐娜等人(Bilayer hydrogel actuators with tight interfacial adhesion fully constructed from natural polysaccharides.Soft Matter 2017,13,345
‑
354.)开发了一种由壳聚糖和纤维素/羧甲基纤维素组成的智能双层水凝胶致动器，壳聚糖层与纤维素/羧甲基纤维素复合物层具有不同的pH响应性，纤维素/羧甲基纤维素层中羧基的电离(pH>3.8)以及壳聚糖层中氨基的质子化(pH<3.8)促使其在不同pH条件下进行形变，如S形、螺旋形、管状、竹子状、波浪状和花状；Huang课题组(Polyelectrolyte and Antipolyelectrolyte Effects for Dual Salt
‑
Responsive Interpenetrating Network Hydrogels.Biomacromolecules 2019,20,3524
‑
3534)构建了一种由阳离子pTMAEMA层和两性pSBVI层组成的盐响应互穿网络(IPN)水凝胶在盐溶液中，由于聚电解质和反聚电解质的作用，这两种聚合物网络表现出相反的溶胀行为，所制备的水凝胶表现出一系列可逆调控特性，包括结构、抗菌性能以及界面再生。第三，通过改变双层结构中的交联密度构建Janus双层结构的凝胶驱动器：比如，在Fe
3+
存在下，交联密度过大的PAAC/粘土水凝胶的溶胀度较低，模量较高，将PAAC/Clay层与Fe
3+
‑
PAAC/Clay层结合，可构建双层驱动器。
[0003]随着软体驱动器发展的需要，需发掘更多的策略以及设计思路来构建双层结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供了一种双层水凝胶材料及其制备方法和应用，所述双层水
凝胶材料中包括含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层，并利用所述含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层的不同的溶胀行为构建了双层水凝胶材料。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种双层水凝胶材料，包括依次层叠设置的含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层；
[0007]所述含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层中的复合水凝胶均为聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶；且所述聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶中不包括纳米粒子；
[0008]所述含微晶的复合水凝胶层中的微晶为聚乙烯醇微晶；
[0009]所述含微晶的复合水凝胶层经过冻融处理。
[0010]优选的，所述含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层中聚乙烯醇和刺激响应聚合物的质量比独立地为(0～3):3；
[0011]且所述聚乙烯醇的质量不为0。
[0012]优选的，所述聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶中的刺激响应聚合物包括pH响应聚合物或温度响应聚合物。
[0013]优选的，所述pH响应聚合物为羧甲基纤维素钠、壳聚糖或聚[甲基丙烯酸
‑2‑
(N，N
‑
二甲氨基)酯]。
[0014]优选的，所述温度响应聚合物为聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)或聚[甲基丙烯酸
‑2‑
(N，N
‑
二甲氨基)酯]。
[0015]本专利技术还提供了上述技术方案所述的双层水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016]当所述刺激响应聚合物为天然高分子聚合物时：
[0017]将聚乙烯醇溶液、刺激响应聚合物溶液和第一交联剂混合，得到刺激响应聚合物和聚乙烯醇的预凝胶溶液；
[0018]将所述刺激响应聚合物和聚乙烯醇的预凝胶溶液倒入模具中进行交联，将制备得到的复合水凝胶进行冻融处理，得到含微晶的复合水凝胶层；
[0019]在所述含微晶的复合水凝胶层的上表面设置模具，重复所述复合水凝胶的制备过程，在所述含微晶的复合水凝胶层的表面生成不含微晶的复合水凝胶层，得到所述双层水凝胶材料；
[0020]当所述刺激响应聚合物为合成高分子聚合物时：
[0021]将聚乙烯醇溶液、刺激响应聚合物单体、第二交联剂和引发剂混合，进行交联，得到刺激响应聚合物和聚乙烯醇的预凝胶溶液；
[0022]将所述刺激响应聚合物和聚乙烯醇的预凝胶溶液倒入模具中进行交联，将制备得到的复合水凝胶进行冻融处理，得到含微晶的复合水凝胶层；
[0023]在所述含微晶的复合水凝胶层的上表面设置模具，重复所述复合水凝胶的制备过程，在所述含微晶的复合水凝胶层的表面生成不含微晶的复合水凝胶层，得到所述双层水凝胶材料。
[0024]优选的，当所述刺激响应聚合物为天然高分子聚合物时：
[0025]所述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇的质量浓度为1～30％；
[0026]所述刺激响应聚合物溶液中的刺激响应聚合物的质量浓度为0.1～10％。
[0027]优选的，当所述刺激响应聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层水凝胶材料，其特征在于，包括依次层叠设置的含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层；所述含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层中的复合水凝胶均为聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶；且所述聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶中不包括纳米粒子；所述含微晶的复合水凝胶层中的微晶为聚乙烯醇微晶；所述含微晶的复合水凝胶层经过冻融处理。2.如权利要求1所述的双层水凝胶材料，其特征在于，所述含微晶的复合水凝胶层和不含微晶的复合水凝胶层中聚乙烯醇和刺激响应聚合物的质量比独立地为(0～3):3；且所述聚乙烯醇的质量不为0。3.如权利要求1所述的双层水凝胶材料，其特征在于，所述聚乙烯醇
‑
刺激响应聚合物复合水凝胶中的刺激响应聚合物包括pH响应聚合物或温度响应聚合物。4.如权利要求3所述的双层水凝胶材料，其特征在于，所述pH响应聚合物为羧甲基纤维素钠、壳聚糖或聚[甲基丙烯酸
‑2‑
(N，N
‑
二甲氨基)酯]。5.如权利要求3或4所述的双层水凝胶材料，其特征在于，所述温度响应聚合物为聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)或聚[甲基丙烯酸
‑2‑
(N，N
‑
二甲氨基)酯]。6.权利要求1～5任一项所述的双层水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：当所述刺激响应聚合物为天然高分子聚合物时：将聚乙烯醇溶液、刺激响应聚合物溶液和第一交联剂混合，得到刺激响应聚合物和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘青业，李晓君，成悦，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：