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          不打繃帶,肌肉受傷“創口貼”來救

          2024-01-13 13:52:06 來源: 中國科學報

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          江蘇大學機械工程學院副教授胡興好曾經讀了一篇科技類小說,里面介紹在一個小鼠生物實驗中,受傷的小鼠貼了膏藥后恢復了肌肉功能。這一描述讓他大受啟發,有沒有一種具有運動修復功能的“創口貼”,哪里的肌肉受傷了就貼在哪里,使得受傷者可以免于穿戴背帶、手套等輔助治療的設備呢?8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          胡興好把夢想變為了現實。他的團隊在實驗室制作出生物膠帶。這種基于纖維人工肌肉的生物膠帶,貼敷在受傷或者萎縮的人體肌肉上,在外部施加小幅電壓下,膠帶會自動收縮,從而帶動肌肉組織的收縮,幫助受傷肌肉組織訓練和恢復。日前,相關研究論文發表在《美國化學會—納米》上。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

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          基于電化學驅動的纖維人工肌肉生物膠帶的應用演示。課題組供圖8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          把人工肌肉做成生物膠帶8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          人工肌肉是人們依照動物骨骼肌,設計出的具有高輸出應變、高輸出能量、高輸出功率以及大負載能力的柔性驅動器。正因為其體積小、運動自由度高、可以適應受限工作環境,因此在柔性骨骼、柔性飛行器、生物醫療、精準微創手術等領域都有著廣闊的應用前景。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          胡興好一直從事人工肌肉驅動機理的研究。2021年1月,他在《科學》雜志發表論文,提出了一種新型高性能電化學驅動人工肌肉,探索出了人工肌肉的全新驅動機理,“我們設計的新型電化學人工肌肉在一定頻率范圍內,隨著驅動電壓頻率的增加,應變也會一直增加。”這為人工肌肉的實際應用向前邁出一大步奠定了堅實的基礎。當時評審專家認為,這種新型人工肌肉的設計和理論分析都很完美。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          然而,一根纖維人工肌肉僅有100多微米,和頭發絲差不多粗細,胡興好認為,細如牛毛的纖維人工肌肉,要在外骨骼機器人等大型場景應用,對其能量、功率、材料等要求很高,“其應用還是要先從小的方面入手”。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          胡興好想到把自己研制的人工肌肉做成生物膠帶,“普通醫療膠帶是藥物在起作用,有效性短,藥物失效了就不能再使用;生物膠帶發揮的是物理作用,用人工肌肉的收縮帶動人體肌肉收縮,體積小,隨時可用,而且可以反復使用。”8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          目前,市場上并沒有類似的生物膠帶存在,他面對的是一片藍海。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          材料改性是第一步8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “驗證人工肌肉電化學驅動機理,并根據生物膠帶的特殊要求解決結構設計和凝膠材質這兩大難題,是推動纖維人工肌肉在醫學上實際應用的關鍵。”胡興好說。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          江蘇大學機械工程22級碩士生張峰瑞負責生物膠帶的制作與性能測試,他采用的是單根纖維電極與其他電極材料組成的三電極測試系統;而在制作生物膠帶中,采用兩根纖維組成相對電極,減輕了整體膠帶的重量。“用雙纖維電極的測試結果顯示:雙纖維電極和單纖維電極對比,盡管結構不一樣了,性能變化卻不明顯。”8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          于是,胡興好把研究重點放在了纖維人工肌肉材料上,材料改性是第一步。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          碳納米管纖維是國際公認的制作人工肌肉的理想材料之一,加捻成螺旋結構的碳納米管纖維可以在電熱、濕度、光照、電化學等方式下進行驅動。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          胡興好解釋道,碳納米管纖維有很多孔隙,在電化學電壓作用下,電解液中的溶劑化離子會跑到碳納米管纖維的孔隙中,從而使碳納米管纖維的體積增大;再通過類似搓麻繩的加捻過程,將碳納米管纖維體積膨脹轉化為長度收縮。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          碳納米管纖維直接通電收縮效果非常明顯,但放在電解液中卻一動不動,收縮應變卻只有1%。他嘗試在碳納米管纖維中加了其他的材料,通過大量的試驗,找到了一種材料——聚苯乙烯磺酸鹽。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          數據表明,由碳納米管纖維復合聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)制備出的纖維人工肌肉,其收縮應變提升到了5%,其輸出應力也提升了近三倍。這也成為了制作生物膠帶的基礎材料。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          嘗試新型電解液8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “以前,我們關注的是在外界電壓作用下,纖維人工肌肉可以伸多長、縮多短;現在,設計生物膠帶是為了帶動人體肌肉運動,我們更關注纖維人工肌肉在長度不變的情況下能夠產生多大的力。”胡興好表示,在生物膠帶方向,研究從提升輸出應變,轉變成提升輸出應力。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          要讓纖維人工肌肉在靜止狀態下產生更大的力,就好比讓一個大力士在不動的狀態下承受更多的重物,除了優化材料讓離子數量進入得更多,還要增大每個進入離子的有效體積。這其中,電解液的選擇非常關鍵。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          此前,胡興好一直研究的是液態電解液,“水系電解液有自身缺陷,因為電壓大了,水系電解液就變成了電解水。”胡興好通過實驗,努力尋找另一種液態電解液,最終從汽車電池的有機電解液中吸取靈感,采用了有機電解液,其輸出應變大幅度提高了16%。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          生物膠帶是一種凝膠敷貼,要讓這種類似果凍的凝膠有效驅動纖維人工肌肉,胡興好發現,從液體到凝膠,電解液變化了,纖維人工肌肉的性能衰減得很明顯。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          通過查閱文獻和試驗驗證,不斷更換凝膠的選型和濃度,胡興好花了一年時間,最終找到了合適的凝膠電解液。張峰瑞告訴《中國科學報》,實驗數據最終證明:纖維人工肌肉在凝膠電解液下的輸出應變也能達到10%。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          在胡興好的實驗室里,兩條黑色纖維人工肌肉被固定在硅膠材料中,這就是生物膠帶的雛形。把生物膠帶貼在皮膚上,通上1至3伏左右的電壓,會明顯感覺到自己的皮膚和肌肉隨著膠帶在收縮。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          胡興好說,生物膠帶還是實驗室作品,透氣性如何、是否會對皮膚產生影響,還需要進一步優化,以解決更多生物兼容性的問題。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “科學研究就是不斷探索的過程,會經歷無數次失敗,但是這些都會成為你研究的基石。”基于纖維人工肌肉制作出生物膠帶,只是電化學人工肌肉的應用場景之一。胡興好計劃進一步探索電化學驅動人工肌肉機理,在機理清晰的基礎上廣泛開展纖維人工肌肉的應用研究,例如仿生魚、制作用于手部康復的康復手套、仿人機器人中的驅動模塊、外骨骼機器人等。8Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          相關論文信息:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c076948Eg流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

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