基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料及其製備方法
2023-05-24 19:32:26 2
專利名稱：基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種人工肌肉材料、其製備及其應用，特別是將具有體積變化的功能響應材料製備為具有伸縮功能的取向超細纖維材料。
背景技術：
天然肌肉能夠將化學能等溫高效地直接轉換為機械能，其高效率、無噪聲、無汙染、體積小、柔性結構分布式直接驅動及特殊的伺服性能等特點十分引人注目，從而成為人們夢寐以求仿製的對象。為此，人們研製了具有類似於天然肌肉上述特性的功能高分子材料-人工肌肉高分子材料AMP(artificial musclepolymer)。
人工肌肉高分子材料主要分為化學機械型和電化學機械型人工肌肉高分子材料。這些人工肌肉高分子材料具有柔性結構，並且能夠隨pH值、溫度、電場等外界環境的變化而發生收縮或伸長，其收縮力、伸縮率、響應時間等方面均已取得長足發展，目前已經在執行器、機器人、傳感器等領域得到了諸多應用。
然而，基於高分子材料的人工肌肉的發展還存在很多問題如響應速度慢、存在滯後效應、強度偏低、收縮力偏小等。目前基於高分子材料的人工肌肉主要以厚度在數十微米至數毫米之間的無序混合的高分子材料薄膜的形式得到應用。當人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加電場的情況下接觸離子、小分子時，小分子或者離子通過擴散進出高分子材料薄膜並導致高分子材料發生相應的構象變化從而引發形變。由於人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相對離子或者小分子的擴散太大並且需要耗時的構象變化，因此響應速度較慢，存在響應滯後效應；另一方面，由於薄膜中高分子材料無序混合，其形變方向不一致致使其中相當部分的形變能量由於不同方向形變的高分子材料之間的相互牽制或者抵消而消耗(如圖1a所示)，導致這類人工肌肉高分子材料效率降低，收縮力減小；最後，為了方便離子、小分子的擴散，人工肌肉高分子薄膜常常為微孔結構，並且材料間在微觀層次上並無很強的相互作用，因此這類人工肌肉高分子材料薄膜機械強度通常偏低。
然而隨著人類社會文明的不斷進步及人類生活質量的不斷提高，人們對各類驅動器件性能的要求也不斷提高。為此，具有眾多優良性能的人工肌肉高分子材料性能的改進及開發以滿足人們需求的研究受到全世界科學家和工程技術人員的高度關注，令人遺憾地是到目前為止，進展仍十分緩慢。
事實上，在開發高性能高分子人工肌肉方面，正如我們在研發飛行器中可以向鳥類學習，在研發電池中可以向電鰻學習一樣，自然給予了我們很好的學習範例。生物經過億萬年的進化其不僅適應自然而且程度接近完善，其一些奇妙的功能遠遠超過人類自身先前的設計並成為解決疑難工程問題的答案。自然界的天然肌肉即是其中很好的一個例子。天然肌肉是通過直徑約1微米的圓柱形肌原纖維作為基本單元有序排列實現其變形功能的。肌原纖維由粗細不同的數百納米的兩組纖維肌絲-粗肌絲和細肌絲以高度規則的方式排列組成。細肌絲插入粗肌絲的間隔間並且細肌絲上的肌動蛋白可以與粗肌絲上的肌球蛋白形成複合物。肌原纖維伸縮過程可用所謂的滑動模型解釋，即當肌原纖維收縮或者伸展時，細肌絲伸入或者脫出粗肌絲間隙(如圖2所示)。
這樣的伸縮過程蛋白質的構象並不發生改變，而是靠兩種或多種不同種類的蛋白質材料之間的相對位移的迭加來實現伸縮運動。因此，基於高分子材料的人工肌肉的伸縮機制與天然肌肉的伸縮機制是完全不同的。天然肌肉中由超細纖維間的相對滑動而變形的機制由於不需要構象變化並且纖維細小因此保證了天然肌肉響應速度快；粗肌絲和細肌絲等超細纖維由於存在纖維間大面積的包括氫鍵等的弱相互作用從而提高了肌肉的相對強度；肌肉收縮方向一致(如圖1b所示)因此效率高、收縮力比較大。
多年來由於超細纖維的製備及組裝技術發展緩慢，人們難以設計基於超細纖維的人工肌肉。然而近年來一種能夠製備超細纖維的技術即電紡技術引起了人們的廣泛關注。電紡技術通過高壓電場對粘性流體的拉伸作用能夠方便、廉價地製備基於高分子材料或者無機材料的超細纖維，而且通過電場、磁場及拉伸作用人們能夠方便地控制電紡超細纖維內部高分子材料的取向及超細纖維的定向排列。目前電紡超細纖維已經在組織工程、複合材料、催化、傳感等領域得到廣泛應用。將電紡超細纖維與通過離子、分子等擴散而形變的高分子材料結合，將可以大大縮短這類人工肌肉高分子材料響應速度的控制步驟即小分子或者離子在高分子材料內的擴散路程，從而提高相應人工肌肉材料的響應速度並降低滯後效應；而另一方面，通過取向控制而獲得的取向排列電紡超細纖維應用於人工肌肉材料將能夠有效減少由於高分子材料無序排列所導致的相互牽制而產生的能量消耗，並因此提高效率及收縮力；而超細纖維所具有的與細胞外機質相當的尺寸還使得該類人工肌肉高分子材料能夠逃避生物體免疫系統的識別，從而具有良好的生物相容性，從而使得相關執行器件具有在生物體內應用的潛能；此外由於此類電紡超細纖維中可以摻雜高強度與超細纖維間存在強相互作用並且不參與形變的納米管/杆材料，所得到的相應人工肌肉材料不僅強度提高而且形變機制可能類似於天然肌肉。為此，本發明提出基於電紡超細纖維的仿生人工肌肉並將其應用於包括傳感器、執行器、機器人等領域。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料及其製備方法，該仿生人工肌肉材料能夠有效改善現有人工肌肉材料的響應速度、能量轉換效率等性能。
技術方案本發明的基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料其特徵在於仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介於10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細纖維薄膜組成。組成仿生人工肌肉材料的取向超細纖維薄膜通過電紡技術製備。
本發明的基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料的製備方法，包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉換為粘度介於1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過電紡製備為取向超細纖維薄膜，III)對步驟II)中的超細纖維進行處理使其在工作介質中保持固態的情況下具有伸縮功能。不同材料的處理方法不一樣。如聚丙烯腈需要高溫交聯、鹼液水解；而聚吡咯則僅僅需要在某種鹽溶液中浸泡即可以。
電紡超細纖維仿生人工肌肉材料作為具有傳感、執行功能的材料進行使用。
有益效果目前基於高分子材料的人工肌肉主要以厚度在數十微米至數毫米之間的無序混合的高分子材料薄膜的形式得到應用。當人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加電場的情況下接觸離子、小分子時，小分子或者離子通過擴散進出高分子材料薄膜並導致高分子材料發生相應的構象變化從而引發形變。由於人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相對離子或者小分子的擴散太大並且需要耗時的構象變化，因此響應速度較慢，存在響應滯後效應；另一方面，由於薄膜中高分子材料無序混合，其形變方向不一致致使其中相當部分的形變能量由於不同方向形變的高分子材料之間的相互牽制或者抵消而消耗，導致這類人工肌肉高分子材料效率降低，收縮力減小。
為此，本發明模仿天然肌肉的諸多優勢設計，將電紡超細纖維與通過離子、分子等擴散而形變的高分子材料結合，將可以大大縮短這類人工肌肉高分子材料響應速度的控制步驟即小分子或者離子在高分子材料內的擴散路程，從而提高相應人工肌肉材料的響應速度並降低滯後效應；而另一方面，通過取向控制而獲得的取向排列電紡超細纖維應用於人工肌肉材料將能夠有效減少由於高分子材料無序排列所導致的相互牽制而產生的能量消耗，並因此提高效率及收縮力。
因此將具有響應伸縮性能的高分子材料製備為取向超細纖維人工肌肉材料將能夠有效改善現有傳感、執行器、機器人等領域中人工肌肉材料的性能並拓展其應用範圍。
圖1是當肌肉伸展方向不一致(a)及一致(b)時，(方向為c)的肌肉的作用力分析。
圖2是天然肌肉粗肌絲、細肌絲相對滑動模型a收縮、b復原、c伸展。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1配製20％的平均分子量為8萬的聚丙烯腈N，N-二甲基甲醯胺溶液。然後通過電紡製備為尺寸為數百納米的聚丙烯腈超細纖維。該超細纖維在220攝氏度高溫交聯1小時後，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，並在最後進行清洗、乾燥即可獲得由交聯聚丙烯酸構成的酸鹼響應型人工肌肉材料。該材料在酸性條件下收縮，在鹼性條件下伸展。
實施例2配製20％的平均分子量為8萬的聚丙烯腈N，N-二甲基甲醯胺溶液。然後通過採用間隔為2毫米的側面相連的平行鐵絲陣列所構成的收集裝置而進行電紡製備為取向排列的尺寸為數百納米的聚丙烯腈超細纖維。該超細纖維在220攝氏度高溫交聯1小時後，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，並在最後進行清洗、乾燥即可獲得取向排列的交聯聚丙烯酸超細纖維構成的酸鹼響應型人工肌肉材料。該材料通過控制酸鹼條件能夠收縮或者伸展。
實施例3配製質量濃度為20％的平均分子量為8萬的聚丙烯腈及質量濃度為1％的碳納米管的N，N-二甲基甲醯胺溶液。然後通過電紡製備為取向排列的尺寸為數百納米的聚丙烯腈超細纖維。該超細纖維在220攝氏度高溫交聯1小時後，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，並在最後進行清洗、乾燥即可獲得強度改善取向排列的內含碳納米管的交聯聚丙烯酸超細纖維構成的酸鹼響應型人工肌肉材料。
實施例40.15mol的十二烷基苯磺酸溶解於400毫升蒸餾水中後在劇烈攪拌下添加0.3mol的重蒸吡咯單體。往上述溶液中緩慢添加50毫升0.9mol/l的過硫酸銨水溶液後在0攝氏度反應8小時。往上述水溶液中加入大量甲醇中，即可獲得可溶性聚吡咯沉澱。該聚吡咯經過過濾及水、甲醇、丙酮清洗數次後真空乾燥即獲得可溶性聚吡咯。將該可溶性聚吡咯配製成含10％十二烷基磺酸的質量濃度為35％的氯仿溶液並通過電紡技術製備取向聚吡咯超細纖維。該取向聚吡咯超細纖維一面蒸鍍金後即可獲得電化學響應型人工肌肉材料。
實施例5配製質量濃度為20％的聚偏氟乙烯的N，N-二甲基甲醯胺溶液，並通過電紡技術製備為取向超細纖維。該超細纖維在0攝氏度下在質量濃度為10％的十二烷基磺酸鈉的5％吡咯水溶液中浸泡約8小時後取出。經過清洗、乾燥後在一面蒸金即可獲得在5％十二烷基苯磺酸鈉水溶液中具有電伸縮性能的電化學響應型人工肌肉材料。
權利要求
1.一種基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料，其特徵在於仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介於10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細纖維薄膜組成。
2.如權利要求1所述的基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料，其特徵在於組成仿生人工肌肉材料的取向排列超細纖維薄膜通過電紡方法製備。
3.一種如權利要求1所述的基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料的製備方法，其特徵在於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料的製備方法包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉換為粘度介於1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過電紡製備為取向超細纖維薄膜，III)對步驟II)中的超細纖維進行處理使其在工作介質中保持固態的情況下具有伸縮功能。
全文摘要
基於電紡超細纖維仿生人工肌肉材料的製備方法能夠應用於傳感、執行器、機器人等領域。仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介於10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細纖維薄膜組成。組成仿生人工肌肉材料的取向排列超細纖維薄膜通過電紡方法製備。製備方法包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉換為粘度介於1－40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過電紡製備為取向超細纖維薄膜，III)對步驟II)中的超細纖維進行處理使其在工作介質中保持固態的情況下具有伸縮功能。該材料由於模仿天然肌肉結構，因此能夠有效改善現有人工肌肉材料的響應速度、能量轉換效率等性能。
文檔編號D01D5/00GK101081313SQ200710024488
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月19日 優先權日2007年6月19日
發明者張繼中 申請人:東南大學