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1、OTDEVICESH热门设备电致动高分子材料在生物医学领域的●杨南煌●陈英●谢德明(暨南大学生物医学工程研究所副教授)织有很好的相容性。但是,这些材料与人体组织之间仍存在巨大的差异,它们只能替代人体组织某些简单的功能,并不能像人体自身组织那样,对环境刺激产生反应。当前,在生命科学与材料科学交叉领域中,出现一种新型智能型生物材料(SmartBiomaterials)。“智能材料”的概念最早由日本的高木俊宜教授于1989年提出,是指能够有效感知外在环境(包括温度、pH、电场、磁场、应力、生物活性分子或离子强度)的变化,并通过自我判断和结论而实现指令和执行的新材料。随
2、着这一概念的提出,智能材料特别是电致动高分子材料的研究和开发及其应用领域迅速拓宽,已经在疾病的诊断治疗、人工器官、医疗器械、机器人、航空航天、军事等领域崭露头角。电致动高分子材料三分类电致动高分子(ElectroActivePolymer,EAP)是近年来在传统高分子材料领域迅速发展起来的一类新型智能材料,其主要特征是,材料受到电刺激后会发生响应,材料发生形变(应变)。依据外界刺激的形式分为两类:(1)电场或库仑力的作用;(2)由于离子在材料体系的扩散而发生形变。前者EAP称为ElectronicEAP,包括铁电型高分子和介电质型高分子,以及铁电/介电质资料表明
3、,2002年全球生物相容性材料和终端产混合型高分子,这类EAP的驱动电场非常大,通常大于品市场已从2000年的230亿美元增长至500亿美元,MV/m,很难应用于人体。后一类EAP称为IonicEAP,平均年增长率达50%。医用高分子材料是高分子学科包括离子型高分子——金属复合物(Ionomeric与生物材料学科发展最快、最引人注目的领域。除了在Polymer-MetalComposites,IPMC),导电高分子医学仪器与医疗器械的设计与加工过程中作为一种基(ConductivePolymer,CP)和碳纳米管(CarbonNano础材料外,医用高分子材料还被
4、广泛用于一次性医疗Tubes,CNT)三个大类。这一类EAP发生形变所需要的用品、假肢、软组织填充剂、医用胶黏剂、整形美容、药驱动电压通常小于10V,可以作为植入式医疗器械材物载体等,其市场销售额已超过200亿美元。料。目前,临床上以可降解性的高分子材料为主,例如1.离子型高分子——金属复合物(IonomericPLA、PLGA、胶原、透明质酸、甲壳糖等。这些材料具有Polymer-MetalComposites,IPMC)优良的生物可降解性,安全无毒,植入人体后与周围组IPMC是一种由离子交换树脂与金属粒子所组成50的应用的复合材料。其特征是,当外界施加电场时
5、,材料会随Ni/Nafion!离子交换膜复合材料的偏转角可达25°。着外加电场的大小而有不同程度的形变(如图1所Shahinpoor用化学沉积法拿银和铜代替铂金属镀在高示)。IPMC的优点包括:①较小的驱动电压即可产生较分子表面,改良IPMC的性能。而J.D.Nam等人将Nafion!大的形变;②电能——机械能转换效率高;③材料性质用适当的溶剂溶解,将大量的蒙脱土与Nafion!溶液比较柔软,适合于人体内使用;④对工作环境要求不混合在超声发生器反应5小时后干燥,在60℃条件下高;⑤可以加工成微型器件。处理30分钟。此法可得到纳米插层的复合材料,与传IPMC材料主
6、要由含氟碳官能团的阳离子交换膜统材料相比,它的耐热性、强度和弹性模量都有很大的和铂等贵金属,通过化学方法复合而成,如DuPont公提高,性能更加优异。司所生产的Nafion!(Perfluorosulfonate)和AsahiGlass2.导电高分子(ConductivePolymer,CP)公司所生产的Flemion!(Perfluorocarboxlate)。导电高分子的主要特性是,导电高分子在外加电场时会发生体积上的变化,其原因是,由于外加电场使材料内部发生氧化还原反应,导致电荷及电解质渗入或析出高分子整体结构,从而造成其体积改变。Otero等人用电化学方
7、法合成了聚吡咯(PPy)薄膜,与一种柔软的塑料膜复合。将此复合膜浸入0.1mol/LLiClO4水溶液中,在复合膜与饱和甘汞电极之间,以10mW/s的扫描速度施加-700mV与+200mV之间的循环电压,发现复合膜产生弯曲——复原的运动,其体积变化可达30%～40%。若在1mol/LLiClO水溶液下,施4加5mA的电流,产生的动力足以将重达3g的小物体图1Nafion!做成的驱动元件在载重的条件下仍可在一推动(如图2所示)。Smela等人通过改装的原子力显微秒内弯曲镜,对浸入电解质溶液的PPy薄膜的原位体积伸缩测常规IPMC电极的制作方法是利用氧化还原法,试发
8、现,在首次电化学还原过程
