生物凝胶电致动器的制备及其性能研究

李思佳 梁博

摘 要：生物凝胶是水凝胶的一种，在自然界中并不直接存在，它是由动物胶原蛋白经酸或碱的热水解作用而得的生物高分子蛋白质。作为水凝胶是稳定的。生物凝胶因其具有非免疫原性、可生物降解性、生物相容性、生物活性和低成本的商业价值在药物输送、伤口敷料、人工肌肉等领域得到了广泛的应用，生物凝胶需要通过化学交联或使用一些填料来增强。经本实验研究可知，在控制变量的条件下，当温度达到80℃;当反应时间为3小时;当掺杂剂用量为12ml时，生物凝胶致动器的性能则达到最大。

关键词：生物凝胶;驱动器;聚合性

1.前言

生物凝胶是水凝胶的一种，在自然界中并不直接存在，它是由动物胶原蛋白经酸或碱的热水解作用而得的生物高分子蛋白质。作为水凝胶是稳定的。生物凝胶因其具有非免疫原性、可生物降解性、生物相容性、生物活性和低成本的商业价值在药物输送、伤口敷料、人工肌肉等领域得到了广泛的应用，因为生物凝胶是通过高温下的酸性或碱性过程使溶液中的天然胶原变性而产生且它的性能相比胶原来说较差，表现出较差的耐水性和较低的机械性能，这限制了其作为水凝胶的应用。化学交联通过生物凝胶分子中反应侧基之间的共价键增强了热性能和机械性能。然而，该过程呈现残留的交联剂有毒性副作用。由于石墨具有良好的生物相容性和力学性能并且结构非常稳定并且具有导电性，因此选择石墨来提高生物凝胶的力学和机电性能。

2.生物凝胶电致动器的制备

将石墨与十二烷基硫酸钠在水介质中混合，然后用磁力搅拌将生物凝胶溶解在蒸馏水中。最后，将两种溶液通过磁力搅拌充分混合一夜，得到混合物。将混合物浇注在硅胶垫上，经过真空干燥后得到凝胶薄膜。将薄膜膜浸没在含有吡咯，FeCl 3和对甲苯磺酸溶液中原位形成生物凝胶电致动器。

2.1单因素实验的研究

本文运用了控制变量的方法，分别对实验过程中的反应温度、反应时间、掺杂剂浓度以及生物凝胶溶液浓度进行控制变量。在制备生物凝胶薄膜时，控制不同的生物凝胶浓度制成生物凝胶电致动器，待测量其偏转角度与应力后对其性能进行对比;从而得到最佳的制备工艺。

由图1可得，干燥温度对壳聚糖薄膜的性能有较大影响。由图可表明，随着干燥温度的不断增加，生物凝胶的弯曲程度不断增加。在干燥温度为80℃时，弯曲程度最大。这是由于在较低的干燥温度下，可以快速蒸发膜表面水分，避免了高温条件下对生物凝胶结构和膜表面质量的破坏。

由图2可得，酸对生物凝胶薄膜的性能有较大影响。由图可表明，随着乙酸用量的不断增加，生物凝胶薄膜的弯曲程度先增大后减小。在12ml时，弯曲程度最大。这是由于乙酸是弱酸，而生物薄膜是胺是弱碱。乙酸与生物凝胶反应，形成醋酸铵。随着醋酸用量的增加，化学平衡右移，阴离子-对正极的排斥力增大，因而位移增大。化学平衡逆向移动使醋酸增多，位移增大。且乙酸是生物凝胶良好的溶剂、具有增塑作用。但随着乙酸用量不断增加即pH值的升高，会腐蚀薄膜表面使其无法成膜。

2.2凝胶电致动器的致动性能研究

利用松下的HG-C100型号激光位移传感器进行偏转角度的测试。保持膜与位移传感器垂直状态，通过将铜带粘附到导电进行电接触，从而得出最佳性能偏轉角。采用HP-5推拉力计装置进行测量，让致动器的一端与推拉力计的传感器触针相接触，推拉力计与电脑相连接，通电后通过电脑上的数据处理软件直接查看力的大小数据，得出相误差较小的结果。

3.结论

生物凝胶电致动器是一种新型材料，由于优良的形变性能和稳定的致动性能，在诸多领域都极具应用价值。本文主要针对生物凝胶电致动器的制备、机械性能、电致动性能以及影响性能的各因素等方面进行了初步研宄。本章采用石墨作为聚合物制备了生物凝胶电致动器完成了制备。通过控制变量法研究了关键工艺参数对生物凝胶致动器性能的影响，最终通过性能对比得到各因素影响下性能最优的凝胶致动器及其制备参数。为研究生物凝胶电致动器的致动性能，搭建了电致动器的实验测试平台，通过对偏转位移、弯曲力与响应速度等方面进行了测试研究，给出了电致动器的机械性能实验测试与电化学测试方法。

参考文献

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基金项目：大学生创新创业训练计划项目（202010214244）

作者简介：李思佳（2001?），女，黑龙江省哈尔滨市人，在读本科生，专业为食品科学与工程。