崴腳是人們生活中常見的一種踝部損傷。崴腳后，如果沒有明顯創(chuàng)傷，也未發(fā)現骨折，醫(yī)生通常會建議患者可以嘗試康復治療，例如戴上可穿戴式設備，幫助受傷肌肉做恢復訓練。但這樣既不方便，也不美觀。
有沒有一種具有修復功能的“創(chuàng)可貼”，能做到哪里的肌肉受傷了就貼在哪里，既方便還可以反復使用?日前，江蘇大學機械工程學院副教授胡興好團隊研制出的生物膠帶，有望讓這一設想成為現實。把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，膠帶就會自動收縮，從而帶動肌肉組織收縮，幫助受傷或萎縮的肌肉組織恢復。相關研究論文發(fā)表在國際期刊《美國化學學會·納米》上。
可以反復使用的生物膠帶
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。由于其體積小、運動自由度高，可以適應一些受限的工作環(huán)境，因此在柔性骨骼、柔性飛行器、生物醫(yī)療、精準微創(chuàng)手術等領域有著廣闊的應用前景。
胡興好團隊一直從事人工肌肉驅動機理的研究。他們在此前的相關研究中，提出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。這為人工肌肉的實際應用發(fā)展奠定了基礎。
近年來，團隊開始探索纖維人工肌肉在醫(yī)療健康領域的應用。然而，一根纖維人工肌肉直徑僅有100多微米，粗細同頭發(fā)絲差不多。如果將其應用在外骨骼機器人等醫(yī)療輔助設備上，對能量、功率、材料等要求很高。胡興好認為，要讓細如牛毛的纖維人工肌肉在醫(yī)療領域更好地發(fā)揮作用，還是要從“小”方面入手。
胡興好告訴記者，他曾讀過的一篇科技小說中，介紹了一個關于小鼠的生物實驗，受傷的小鼠貼了膏藥后恢復了肌肉功能。這個描述讓胡興好大受啟發(fā)，他由此想到把人工肌肉做成生物膠帶。目前，市場上還沒有類似的生物膠帶。
“普通醫(yī)療膠帶是靠藥物起作用幫助患者恢復，有效性短，藥物失效了就不能再使用;而生物膠帶靠的是物理作用，用人工肌肉的收縮帶動人體肌肉收縮。而且這種生物膠帶體積小、便攜帶，隨時可用，還能反復使用。”胡興好介紹。
解決結構設計和凝膠材質問題
要想真正制出生物膠帶，還需要根據對生物膠帶的特殊要求，進一步解決結構設計和凝膠材質這兩個關鍵問題。為了讓生物膠帶輕便美觀，團隊首先從改變電極結構入手，以減輕生物膠帶的重量。實驗室過去通常采用的是單根纖維電極與其他電極材料組成的三電極系統(tǒng)。在新研制的生物膠帶中，團隊采用的是兩根纖維組成的相對電極，這樣能夠使生物膠帶的重量大大減輕。江蘇大學機械工程學院碩士研究生張峰瑞介紹，測試結果表明，改變電極結構后的生物膠帶，性能基本不受影響。
隨后，團隊又把研究重點放在了纖維人工肌肉材料的改性上。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多種方式下進行驅動。胡興好解釋，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，就可將碳納米管纖維體積膨脹轉化為長度收縮。
“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�，F在，我們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。”胡興好說。
要讓纖維人工肌肉在靜止狀態(tài)下產生更大的力，除了要優(yōu)化材料，讓更多數量的溶劑化離子進入碳納米管纖維，還要增大每個進入離子的有效體積。其中，電解液的選擇非常關鍵。通過實驗，胡興好團隊最終決定采用有機電解液，使得制備的纖維人工肌肉輸出應變提高了16%。
生物膠帶是一種凝膠敷貼。在實際應用中，這種類似果凍的凝膠就充當了有機電解液，可以有效驅動纖維人工肌肉。但胡興好發(fā)現，電解液從液體變?yōu)槟z后，纖維人工肌肉的性能出現明顯衰減。為了解決這個難題，團隊不斷更換凝膠的選型和濃度，最終找到了合適的凝膠電解液，使纖維人工肌肉在凝膠電解液下的輸出應變也能達到10%。
走向臨床仍需進一步優(yōu)化
在胡興好的實驗室里，記者看到兩條涂覆凝膠的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，施加1至3伏左右的電壓，人會明顯感覺到自己的皮膚和肌肉隨著膠帶收縮。這相當于給人體肌肉施加外力，幫助受傷的肌肉康復。
“如果將來生物膠帶應用到臨床，可以將柔性電池、柔性傳感器和纖維人工肌肉一起封裝在硅膠基體中，制成自供電、可穿戴的生物膠帶，類似于柔性顯示屏。還可以通過手機App來操作和監(jiān)控生物膠帶的收縮效果，提升患者的體驗度。”胡興好說。
目前，生物膠帶還只是實驗室成果，在透氣性、使用壽命和工藝制作流程等方面，都需要進一步優(yōu)化。例如生物膠帶目前使用的基底材料是柔性且無害的硅膠，但基底材料的透氣性較差，如果長期使用，需要提高透氣性。此外，生物膠帶除了本身需要優(yōu)化，應用于臨床還要考慮對不同位置肌肉復健的適用性、肌肉復健時的通斷頻率等問題。
基于纖維人工肌肉制作出的生物膠帶，只是電化學人工肌肉的應用場景之一。胡興好表示，未來，團隊將進一步探索電化學驅動人工肌肉的機理。在機理清晰的基礎上，他們還將廣泛開展纖維人工肌肉的應用研究，例如制作用于手部康復的康復手套、外骨骼機器人等�！ ♂四_是人們生活中常見的一種踝部損傷。崴腳后，如果沒有明顯創(chuàng)傷，也未發(fā)現骨折，醫(yī)生通常會建議患者可以嘗試康復治療，例如戴上可穿戴式設備，幫助受傷肌肉做恢復訓練。但這樣既不方便，也不美觀。 有沒有一種具有修復功能的“創(chuàng)可貼”，能做到哪里的肌肉受傷了就貼在哪里，既方便還可以反復使用?日前，江蘇大學機械工程學院副教授胡興好團隊研制出的生物膠帶，有望讓這一設想成為現實。把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，膠帶就會自動收縮，從而帶動肌肉組織收縮，幫助受傷或萎縮的肌肉組織恢復。相關研究論文發(fā)表在國際期刊《美國化學學會·納米》上。 可以反復使用的生物膠帶 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。由于其體積小、運動自由度高，可以適應一些受限的工作環(huán)境，因此在柔性骨骼、柔性飛行器、生物醫(yī)療、精準微創(chuàng)手術等領域有著廣闊的應用前景。 胡興好團隊一直從事人工肌肉驅動機理的研究。他們在此前的相關研究中，提出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。這為人工肌肉的實際應用發(fā)展奠定了基礎。 近年來，團隊開始探索纖維人工肌肉在醫(yī)療健康領域的應用。然而，一根纖維人工肌肉直徑僅有100多微米，粗細同頭發(fā)絲差不多。如果將其應用在外骨骼機器人等醫(yī)療輔助設備上，對能量、功率、材料等要求很高。胡興好認為，要讓細如牛毛的纖維人工肌肉在醫(yī)療領域更好地發(fā)揮作用，還是要從“小”方面入手。 胡興好告訴記者，他曾讀過的一篇科技小說中，介紹了一個關于小鼠的生物實驗，受傷的小鼠貼了膏藥后恢復了肌肉功能。這個描述讓胡興好大受啟發(fā)，他由此想到把人工肌肉做成生物膠帶。目前，市場上還沒有類似的生物膠帶。 “普通醫(yī)療膠帶是靠藥物起作用幫助患者恢復，有效性短，藥物失效了就不能再使用;而生物膠帶靠的是物理作用，用人工肌肉的收縮帶動人體肌肉收縮。而且這種生物膠帶體積小、便攜帶，隨時可用，還能反復使用。”胡興好介紹。 解決結構設計和凝膠材質問題 要想真正制出生物膠帶，還需要根據對生物膠帶的特殊要求，進一步解決結構設計和凝膠材質這兩個關鍵問題。為了讓生物膠帶輕便美觀，團隊首先從改變電極結構入手，以減輕生物膠帶的重量。實驗室過去通常采用的是單根纖維電極與其他電極材料組成的三電極系統(tǒng)。在新研制的生物膠帶中，團隊采用的是兩根纖維組成的相對電極，這樣能夠使生物膠帶的重量大大減輕。江蘇大學機械工程學院碩士研究生張峰瑞介紹，測試結果表明，改變電極結構后的生物膠帶，性能基本不受影響。 隨后，團隊又把研究重點放在了纖維人工肌肉材料的改性上。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多種方式下進行驅動。胡興好解釋，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，就可將碳納米管纖維體積膨脹轉化為長度收縮。 “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�，F在，我們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。”胡興好說。 要讓纖維人工肌肉在靜止狀態(tài)下產生更大的力，除了要優(yōu)化材料，讓更多數量的溶劑化離子進入碳納米管纖維，還要增大每個進入離子的有效體積。其中，電解液的選擇非常關鍵。通過實驗，胡興好團隊最終決定采用有機電解液，使得制備的纖維人工肌肉輸出應變提高了16%。 生物膠帶是一種凝膠敷貼。在實際應用中，這種類似果凍的凝膠就充當了有機電解液，可以有效驅動纖維人工肌肉。但胡興好發(fā)現，電解液從液體變?yōu)槟z后，纖維人工肌肉的性能出現明顯衰減。為了解決這個難題，團隊不斷更換凝膠的選型和濃度，最終找到了合適的凝膠電解液，使纖維人工肌肉在凝膠電解液下的輸出應變也能達到10%。 走向臨床仍需進一步優(yōu)化 在胡興好的實驗室里，記者看到兩條涂覆凝膠的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，施加1至3伏左右的電壓，人會明顯感覺到自己的皮膚和肌肉隨著膠帶收縮。這相當于給人體肌肉施加外力，幫助受傷的肌肉康復。 “如果將來生物膠帶應用到臨床，可以將柔性電池、柔性傳感器和纖維人工肌肉一起封裝在硅膠基體中，制成自供電、可穿戴的生物膠帶，類似于柔性顯示屏。還可以通過手機App來操作和監(jiān)控生物膠帶的收縮效果，提升患者的體驗度。”胡興好說。 目前，生物膠帶還只是實驗室成果，在透氣性、使用壽命和工藝制作流程等方面，都需要進一步優(yōu)化。例如生物膠帶目前使用的基底材料是柔性且無害的硅膠，但基底材料的透氣性較差，如果長期使用，需要提高透氣性。此外，生物膠帶除了本身需要優(yōu)化，應用于臨床還要考慮對不同位置肌肉復健的適用性、肌肉復健時的通斷頻率等問題。 基于纖維人工肌肉制作出的生物膠帶，只是電化學人工肌肉的應用場景之一。胡興好表示，未來，團隊將進一步探索電化學驅動人工肌肉的機理。在機理清晰的基礎上，他們還將廣泛開展纖維人工肌肉的應用研究，例如制作用于手部康復的康復手套、外骨骼機器人等。（責任編輯：華康）
