骨骼肌、平滑肌和心肌是人類肌肉的三種主要類型。這些肌肉通過不同的形變方式，得以執(zhí)行特定的生物功能，如行立坐臥、胃腸蠕動(dòng)和心肌泵血等。人工肌肉是一類仿生材料，它通過模擬自然肌肉的刺激響應(yīng)性與形變方式，在實(shí)際應(yīng)用中執(zhí)行特定的功能。在眾多人工肌肉材料中，液晶彈性體（LCE）由于其具有大尺度可逆形變而備受人們關(guān)注。科學(xué)家們已經(jīng)利用LCE材料，成功實(shí)現(xiàn)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仿生心肌的復(fù)雜形變及生物功能尚未實(shí)現(xiàn)。

通過觀察心肌結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)心肌由心肌纖維構(gòu)成，心肌纖維作為基本的收縮單元，在心肌中呈圓周狀及螺旋狀排列。這種特殊的排布方式，使得心臟在神經(jīng)信號(hào)的刺激下，可以同時(shí)發(fā)生收縮和扭轉(zhuǎn)形變，并展現(xiàn)出強(qiáng)大的泵血功能。受心肌結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，清華大學(xué)楊忠強(qiáng)課題組提出了一種簡(jiǎn)單而通用的仿生策略來構(gòu)建人工心肌：利用LCE纖維作為收縮單元，并將其仿照心肌纖維結(jié)構(gòu)在空間進(jìn)行排列。該策略所獲得的人工心肌不僅能夠?qū)崿F(xiàn)特定的收縮和扭轉(zhuǎn)形變，還展現(xiàn)出類似心肌泵送液體的功能。

圖1. LCE纖維的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與可逆熱響應(yīng)形變。

該團(tuán)隊(duì)利用兩步交聯(lián)策略，通過干法紡絲制備了超長(zhǎng)LCE纖維。其不僅具有良好的取向性，并且可以在熱源刺激下，發(fā)生可逆的收縮、伸長(zhǎng)形變，收縮形變率L/L0可達(dá)60%。LCE纖維憑借熱響應(yīng)收縮形變可提拉重物，具備做功能力。

圖2. 利用LCE纖維構(gòu)筑仿生心肌及其熱響應(yīng)形變。

為了更好地了解LCE纖維的空間排列對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，該工作設(shè)計(jì)了三種類型的人工心肌，即LCE纖維僅在圓周方向排列（C型），僅在螺旋方向排列（H型），以及圓周和螺旋方向組合排列（C+H型）。據(jù)觀察，LCE纖維的線性收縮與特定的空間排列相結(jié)合可以產(chǎn)生預(yù)先設(shè)計(jì)的形變方式：C型心肌僅在短軸上發(fā)生收縮；H型心肌在長(zhǎng)軸上收縮的同時(shí)伴隨有扭轉(zhuǎn)形變；C+H型心肌則同時(shí)表現(xiàn)出了收縮與大幅扭轉(zhuǎn)形變，十分接近人類心臟的形變模式。

圖3. LCE人工心肌泵送液體，驅(qū)動(dòng)循環(huán)回路。

隨后，研究者們測(cè)試了人工心肌是否具備類似心臟的泵送功能。將LCE人工心肌內(nèi)部充滿紅色液體，通過向外部腔室交替通入冷熱水，來驅(qū)動(dòng)LCE纖維的形變。當(dāng)被加熱至85 °C時(shí)，人工心肌發(fā)生明顯收縮，并將內(nèi)部的液體泵出。在冷卻到25 °C后，人工心肌恢復(fù)松弛狀態(tài)，將液體吸回。人工心肌的泵送功能十分穩(wěn)定，在連續(xù)驅(qū)動(dòng)100個(gè)循環(huán)之后，人工心肌的泵送能力未出現(xiàn)明顯衰減。經(jīng)計(jì)算，C+H型人工心肌的射血分?jǐn)?shù)（每次搏動(dòng)泵出液體的百分比）可達(dá)22.4%，遠(yuǎn)高于C型心肌的7.6%和H型心肌的10.6%。此外，C+H心肌擁有最高的功密度，即4.1 kJ m-3，相比之下，C型心肌和H型心肌的功密度僅為1.3和1.4 kJ m-3。C+H心肌優(yōu)異的泵送性能，可歸因于LCE纖維在圓周和螺旋方向排列的協(xié)同效應(yīng)。最后，研究者們構(gòu)建了一個(gè)由人工心肌驅(qū)動(dòng)的循環(huán)回路，以模擬自然血液循環(huán)。在人工心肌的搏動(dòng)下，回路中液體的單位流速可達(dá)1.3×104 mL min-1 kg-1，該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了人工心肌的泵送能力。

清華大學(xué)化學(xué)系王云鵬、廖威博士生為共同第一作者，楊忠強(qiáng)副教授為通訊作者。孫家豪博士生、Rajib Nandi博士參與了該工作。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文信息：

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

相關(guān)進(jìn)展

清華楊忠強(qiáng)課題組Small：開發(fā)出一種用于人工肌肉的兼具快速、大幅度可逆形變能力的電熱響應(yīng)液晶彈性體纖維

南方醫(yī)科大學(xué)邱小忠教授團(tuán)隊(duì)：一種具有微觀均質(zhì)導(dǎo)電率的自修復(fù)離子水凝膠心肌補(bǔ)片用于修復(fù)心肌梗死

上海硅酸鹽所常江研究員團(tuán)隊(duì)與上海營(yíng)養(yǎng)與健康所楊黃恬研究員團(tuán)隊(duì)合作SA：鍶離子水凝膠治療心肌缺血/再灌注損傷方面取得新進(jìn)展

中科院戴建武再生醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：微環(huán)境控釋型生物材料修復(fù)心肌損傷取得新進(jìn)展

天津大學(xué)劉文廣教授、王瑋副教授團(tuán)隊(duì)：涂抹型導(dǎo)電水凝膠貼片改善心肌功能