Advanced Materials Technologies: 利用液晶弹性体纤维仿生构筑人工心肌

骨骼肌、平滑肌和心肌是人类肌肉的三种主要类型。这些肌肉通过不同的形变方式,得以执行特定的生物功能,如行立坐卧、胃肠蠕动和心肌泵血等。人工肌肉是一类仿生材料,它通过模拟自然肌肉的刺激响应性与形变方式,在实际应用中执行特定的功能。在众多人工肌肉材料中,液晶弹性体(LCE)由于其具有大尺度可逆形变而备受人们关注。科学家们已经利用LCE材料,成功实现了骨骼肌和平滑肌的仿生。然而,受限于目前的加工和取向策略,利用LCE仿生心肌的复杂形变及生物功能尚未实现。

通过观察心肌结构可以发现心肌由心肌纤维构成,心肌纤维作为基本的收缩单元,在心肌中呈圆周状及螺旋状排列。这种特殊的排布方式,使得心脏在神经信号的刺激下,可以同时发生收缩和扭转形变,并展现出强大的泵血功能。受心肌结构的启发,清华大学杨忠强课题组提出了一种简单而通用的仿生策略来构建人工心肌:利用LCE纤维作为收缩单元,并将其仿照心肌纤维结构在空间进行排列。该策略所获得的人工心肌不仅能够实现特定的收缩和扭转形变,还展现出类似心肌泵送液体的功能。

图1. LCE纤维的化学组成、结构特点与可逆热响应形变。

该团队利用两步交联策略,通过干法纺丝制备了超长LCE纤维。其不仅具有良好的取向性,并且可以在热源刺激下,发生可逆的收缩、伸长形变,收缩形变率L/L0可达60%。LCE纤维凭借热响应收缩形变可提拉重物,具备做功能力。

图2. 利用LCE纤维构筑仿生心肌及其热响应形变。

为了更好地了解LCE纤维的空间排列对驱动性能的影响,该工作设计了三种类型的人工心肌,即LCE纤维仅在圆周方向排列(C型),仅在螺旋方向排列(H型),以及圆周和螺旋方向组合排列(C+H型)。据观察,LCE纤维的线性收缩与特定的空间排列相结合可以产生预先设计的形变方式:C型心肌仅在短轴上发生收缩;H型心肌在长轴上收缩的同时伴随有扭转形变;C+H型心肌则同时表现出了收缩与大幅扭转形变,十分接近人类心脏的形变模式。

图3. LCE人工心肌泵送液体,驱动循环回路。

随后,研究者们测试了人工心肌是否具备类似心脏的泵送功能。将LCE人工心肌内部充满红色液体,通过向外部腔室交替通入冷热水,来驱动LCE纤维的形变。当被加热至85 °C时,人工心肌发生明显收缩,并将内部的液体泵出。在冷却到25 °C后,人工心肌恢复松弛状态,将液体吸回。人工心肌的泵送功能十分稳定,在连续驱动100个循环之后,人工心肌的泵送能力未出现明显衰减。经计算,C+H型人工心肌的射血分数(每次搏动泵出液体的百分比)可达22.4%,远高于C型心肌的7.6%和H型心肌的10.6%。此外,C+H心肌拥有最高的功密度,即4.1 kJ m-3,相比之下,C型心肌和H型心肌的功密度仅为1.3和1.4 kJ m-3。C+H心肌优异的泵送性能,可归因于LCE纤维在圆周和螺旋方向排列的协同效应。最后,研究者们构建了一个由人工心肌驱动的循环回路,以模拟自然血液循环。在人工心肌的搏动下,回路中液体的单位流速可达1.3×104 mL min-1 kg-1,该结果进一步验证了人工心肌的泵送能力。

清华大学化学系王云鹏、廖威博士生为共同第一作者,杨忠强副教授为通讯作者。孙家豪博士生、Rajib Nandi博士参与了该工作。以上工作得到国家自然科学基金的资助。

论文信息:

Bioinspired Construction of Artificial Cardiac Muscles Based on Liquid Crystal Elastomer Fibers

Yunpeng Wang, Wei Liao, Jiahao Sun, Rajib Nandi, Zhongqiang Yang*

Advanced Materials Technologies

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100934