Исследование механизма электромеханических преобразований в полиэлектролитных гелях – на пути к созданию искусственных мышц
Разработка новых материалов для биоинженерии. Изучение поведения полиэлектролитных акриловых гелей в электрическом поле. Способность гелей в ответ на электрический стимул преобразовывать его в механический отклик, менять конфигурацию и сжиматься.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.06.2018 |
| Размер файла | 42,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследование механизма электромеханических преобразований в полиэлектролитных гелях - на пути к созданию искусственных мышц
Литвинова Е.А.1, Толстовская Е.А.2, Сафронов А.П.3, Шкляр Т.Ф.4
1, 2 Студент; 3 профессор, доктор физико-математических наук, Уральский федеральный университет; 4 доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Уральская государственная медицинская академия
Аннотация
Статья посвящена изучению поведения полиэлектролитных акриловых гелей в электрическом поле. Показано, что гели в ответ на электрический стимул способны преобразовывать его в механический отклик (совершать механическую работу), менять конфигурацию, сжиматься, аналогично тому, что происходит при сокращении мышцы. Поэтому такие материалы являются перспективными в области создания искусственных мышц.
Ключевые слова: полиэлектролитные гидрогели, биоинженерия
Annotation
The article is devoted to the study of the behavior of polyelectrolyte gels acrylic in an electric field. It is shown that the gels in response to electrical stimulus can convert it into a mechanical response (to perform mechanical work), to change the configuration to contract, similarly to what occurs when the muscle contraction. Therefore, these materials are promising in the field of artificial muscle.
Keywords: polyelectrolytehydrogels, bioengineering
полиэлектролитный акриловый гель отклик
Разработка новых материалов для биоинженерии - актуальная современная задача. Особое внимание привлекают, полиэлектролитные гидрогели (ПЭГГ), способные обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды и различного рода воздействия: рН, температура, свет, физические поля, например, магнитные и электрические. Воздействие электрических полей вызывают особый интерес, поскольку регуляторные механизмы многих физиологических процессов имеют электрическую природу, как, например, мышечное сокращение. Уже известно, что ПЭГГ в электрическом поле способны сжиматься, менять конфигурацию и развивать напряжение, аналогично тому, что происходит при сокращении мышцы. Поэтому такие материалы могут быть перспективны в области создания искусственных мышц.
ПЭГГ представляют собой сеть гидрофильных полимеров, способную поглощать воду и/или биологические жидкости. Их пространственная структура является результатом поперечной сшивки полимеров, формирующих в результате нерастворимую структуру в окружающем растворе. ПЭГГ, синтезированные на основе акриловой кислоты, представляют определенный интерес, прежде всего, как биосовместимые материалы. Кроме того, они имеют некоторые характеристики, схожие с биологическими тканями, что дает возможность их широкого биомедицинского применения.
В многочисленных экспериментах показано, что ПЭГГ акриловой кислоты и ее производных в постоянном (DC) электрическом поле сжимаются и, в некоторых случаях, способны совершать колебательные движения. Несмотря на установленный многими авторами феномен до сих пор не ясен механизм данного явления. Настоящая работа посвящена изучению механизмов, лежащих в основе поведения геля в DC поле.
Методика эксперимента.
В качестве объектов исследования использовали образцы геля полиметакриловой кислоты, ПМАК, синтезированные радикальной полимеризацией в водном растворе в присутствии сшивающего агента - метилендиакриламида в соотношении 1/200 к мономеру [1]. Исследуемые образцы (n=6) прямоугольного сечения с размерами порядка 10*2*1 мм закрепляли по центру тефлоновой камеры диаметром 30 мм с водным раствором NаCl (концентрации 10мг/100мл). Далее прикладывалось электрическом поле с постоянным напряжением U=31.8В и силой тока I=0,02А в течение 20 минут. Образцы геля располагалась перпендикулярно силовым линиям поля, причем один конец был неподвижно зафиксирован, а второй оставался свободным. С помощью видеокамеры регистрировали механическое поведение геля, по видеоизображениям с помощью специальных программ рассчитывали отклонение конца образца от начальной точки и видимую площадь образца, как описано ранее [2].
Результаты.
Показано, что образцы ПЭГГ после наложения ДС поля проявляли сложное колебательное движение, отклоняясь вначале к катоду, затем к аноду. Первое колебание к катоду было менее выраженным и непродолжительным, второе к аноду приводило к значительному изгибу образца. При этом одновременно наблюдали изменение площади образцов геля. Вначале площадь увеличивалась, что свидетельствует о протекании процесса набухания геля. Через некоторое время гель сжимался. Степень набухания и сжатия оценивали по изменению видимой площади образца геля. На рис 1. графически представлены экспериментальные результаты. По оси ординат относительная площадь образцов, где за единицу принята площадь геля до наложения электрического поля. Столбик 1 - максимальная относительная площадь после набухания, которая увеличивалась в 1,77±0,56 раз. Столбик 2 - минимальная относительная площадь после сжатия составляла 0,86±0,08 от начальной площади. Кривая на рис. 1 отражает трассу движения свободного конца геля к одному из полюсов ДС поля: к катоду (К) или аноду (А). Видно, что изгибание геля к катоду ассоциируется с его набуханием, а движение к аноду - со сжатием геля.
Рис. 1 - Сопоставление процессов сжатия - набухания и отклонения к полюсам ДС поля
Следовательно, колебания возникают как реакция системы на изменение ее степени набухания. Причем, процесс имеет анизотропный характер, что и обуславливает периодическое изгибание образцов геля. Таким образом, ПЭГГ в электрическом поле способны выполнять механическую работу, то есть являются синтетическими электромеханическими преобразователями. В основе феномена лежит способность ПЭГГ быстро и обратимо изменять свою степень набухания.
Литература
1. Safronov A., Shklyar T., Borodin V. et al. Chapter In Book “Water in Biology”, Ed. by G. Pollack, I. Cameron and D. Wheatley, “Springer”, NW, 2006. P. 273-284.
2. Safronov A.P., Shakhnovich M.В; Kalganov A.А., et al. DC electric fields produce periodic bending of polyelectrolyte gels // Polymer. 2011. V.52. P. 2430-2436.
Размещено на Allbest.ur
...Подобные документы
Характеристика методов определения концентрации химических элементов в сложных соединениях. Методики определения концентрации железа (III) и выбор оптимального метода его определения в полиэлектролитных микрокапсулах и магнитоуправляемых липосомах.
дипломная работа [942,6 K], добавлен 25.07.2015Факторы, определяющие поведение полимерных гелей, понятие их коллапса. Теоретическое рассмотрение конкурентного связывания поверхностно-активных веществ двумя полимерными сетками. Определение коэффициентов набухания гелей, влияние формы на коллапс.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 16.04.2014Изучение сути закона Кулона - закона взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц. Электрическое поле и линии его напряженности. Проводники и изоляторы в электрическом поле. Поляризация изоляторов (диэлектриков), помещенных в поле.
контрольная работа [27,3 K], добавлен 20.12.2012Ознакомление с основами движения электрона в однородном электрическом поле, ускоряющем, тормозящем, однородном поперечном, а также в магнитном поле. Анализ энергии электронов методом тормозящего поля. Рассмотрение основных опытов Дж. Франка и Г. Герца.
лекция [894,8 K], добавлен 19.10.2014Способы модифицирования перфторированных мембран. Преимущества проведения синтеза полианилина в матрице в условиях внешнего электрического поля. Параметры, позволяющие провести экономическую оценку эффективности данных мембран в электрическом поле.
курсовая работа [124,4 K], добавлен 18.07.2014Электрический заряд и закон его сохранения в физике, определение напряженности электрического поля. Поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Свойства магнитного поля, движение заряда в нем. Ядерная модель атома и реакции с его участием.
контрольная работа [5,6 M], добавлен 14.12.2009Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрокинетические явления в дисперсных системах. Уравнение Гельмгольца–Смолуховского для электроосмоса. Движение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле.
реферат [206,2 K], добавлен 10.05.2009Анализ количественных отношений между физическими характеристиками стимула и интенсивностью ощущения, возникающего как ответ на этот стимул. Измерение предела чувствительности сенсорной системы человека. Изучение психофизического закона Вебера-Фехнера.
презентация [307,6 K], добавлен 23.10.2012Расчёт и построение естественных механических и электромеханических характеристик двигателя. Способ пуска и регулирования скорости в пределах цикла, ящик сопротивления. Механические характеристики в рабочих режимах и режиме динамического торможения.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 11.08.2011Способность диэлектриков проводить электрический ток, характер движения электронов, переходы. Определения механизма проводимости — наблюдение тока в магнитном поле, определение знака термоэлектродвижущей силы. Проводимость первого и второго порядка.
реферат [18,4 K], добавлен 20.09.2009Изучение электростатического поля системы заряженных тел, расположенных вблизи проводящей плоскости. Определение емкости конденсатора на один метр длины. Описание зависимости потенциала и напряженности в электрическом поле, составление их графиков.
контрольная работа [313,2 K], добавлен 20.08.2015Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитном полях, между плоскопараллельными электродами в однородном электрическом поле. Особенности движения в ускоряющем, тормозящем полях. Применение метода тормозящего поля для анализа энергии электронов.
курсовая работа [922,1 K], добавлен 28.12.2014Диэлектрики (изоляторы) — вещества, практически не проводящие электрический ток. Физические свойства: потери и пробой диэлектрика, поляризация во внешнем электрическом поле. Пьезоэлектрики: кварц, пьезоэлектрические преобразователи; пироэлектрики.
контрольная работа [61,6 K], добавлен 15.06.2014Понятие и принцип работы ускорителей, их внутреннее устройство и основные элементы. Ускорение пучков частиц с высокой энергией в электрическом поле как способ их получения. Типы ускорителей и их функциональные особенности. Генератор Ван де Граафа.
контрольная работа [276,8 K], добавлен 18.09.2015Сущность магнитного поля, его основные характеристики. Понятия и классификация магнетиков - веществ, способных намагничиваться во внешнем магнитном поле. Структура и свойства материалов. Постоянные и электрические магниты и области их применения.
реферат [1,2 M], добавлен 02.12.2012Построение диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного механизма. Расчет механических и электромеханических характеристик для двигательного и тормозного режимов. Схема управления электродвигателем и его проверка по нагреву и перегрузке.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 12.09.2014Понятие и свойства полупроводника. Наклон энергетических зон в электрическом поле. Отступление от закона Ома. Влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда. Влияние напряжённости поля на концентрацию заряда. Ударная ионизация. Эффект Ганна.
реферат [199,1 K], добавлен 14.04.2011Определение начальной энергии частицы фосфора, длины стороны квадратной пластины, заряда пластины и энергии электрического поля конденсатора. Построение зависимости координаты частицы от ее положения, энергии частицы от времени полета в конденсаторе.
задача [224,6 K], добавлен 10.10.2015Анализ противоречий в механизмах протекания электрического тока в проводниках. Обзор изменения состава и структуры поверхности многокомпонентных систем, механизма диффузии и адсорбции. Исследование поверхности электродов кислотных аккумуляторных батарей.
контрольная работа [25,0 K], добавлен 14.11.2011Электрический заряд и поле. Биофизические основы потенциала покоя. Распространение потенциала действия. Мембранная теория биопотенциалов. Биоэлектрические потенциалы у растений. Круговые токи и законы проведения возбуждения по нервному волокну.
реферат [905,6 K], добавлен 18.03.2012
