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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(xiàn)骨折，醫(yī)生通常會建議患者可以嘗試康復(fù)治療，例如戴上可穿戴式設(shè)備，幫助受傷肌肉做恢復(fù)訓(xùn)練。但這樣既不方便，也不美觀。
有沒有一種具有修復(fù)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(fù)使用?日前，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授胡興好團(tuán)隊研制出的生物膠帶，有望讓這一設(shè)想成為現(xiàn)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(fù)。相關(guān)研究論文發(fā)表在國際期刊《美國化學(xué)學(xué)會·納米》上。
可以反復(fù)使用的生物膠帶
人工肌肉是人們依照動物骨骼肌設(shè)計出的具有高輸出應(yīng)變、高輸出能量、高輸出功率以及大負(fù)載能力的柔性驅(qū)動器。由于其體積小、運(yùn)動自由度高，可以適應(yīng)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(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
胡興好團(tuán)隊一直從事人工肌肉驅(qū)動機(jī)理的研究。他們在此前的相關(guān)研究中，提出一種新型高性能電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉，探索出了人工肌肉的全新驅(qū)動機(jī)理。這為人工肌肉的實際應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
近年來，團(tuán)隊開始探索纖維人工肌肉在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，一根纖維人工肌肉直徑僅有100多微米，粗細(xì)同頭發(fā)絲差不多。如果將其應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人等醫(yī)療輔助設(shè)備上，對能量、功率、材料等要求很高。胡興好認(rèn)為，要讓細(xì)如牛毛的纖維人工肌肉在醫(yī)療領(lǐng)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(guān)于小鼠的生物實驗，受傷的小鼠貼了膏藥后恢復(fù)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(fù)，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(fù)使用。”胡興好介紹。
解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和凝膠材質(zhì)問題
要想真正制出生物膠帶，還需要根據(jù)對生物膠帶的特殊要求，進(jìn)一步解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和凝膠材質(zhì)這兩個關(guān)鍵問題。為了讓生物膠帶輕便美觀，團(tuán)隊首先從改變電極結(jié)構(gòu)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(tuán)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生張峰瑞介紹，測試結(jié)果表明，改變電極結(jié)構(gòu)后的生物膠帶，性能基本不受影響。
隨后，團(tuán)隊又把研究重點(diǎn)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(rèn)的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維可以在多種方式下進(jìn)行驅(qū)動。胡興好解釋，碳納米管纖維有很多孔隙。在電化學(xué)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(zhuǎn)化為長度收縮。
“以前，我們關(guān)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(xiàn)在，我們設(shè)計生物膠帶是為了帶動人體肌肉運(yùn)動，我們更關(guān)注纖維人工肌肉在長度不變的情況下，能夠產(chǎn)生多大的力。”胡興好說。
要讓纖維人工肌肉在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生更大的力，除了要優(yōu)化材料，讓更多數(shù)量的溶劑化離子進(jìn)入碳納米管纖維，還要增大每個進(jìn)入離子的有效體積。其中，電解液的選擇非常關(guān)鍵。通過實驗，胡興好團(tuán)隊最終決定采用有機(jī)電解液，使得制備的纖維人工肌肉輸出應(yīng)變提高了16%。
生物膠帶是一種凝膠敷貼。在實際應(yīng)用中，這種類似果凍的凝膠就充當(dāng)了有機(jī)電解液，可以有效驅(qū)動纖維人工肌肉。但胡興好發(fā)現(xiàn)，電解液從液體變?yōu)槟z后，纖維人工肌肉的性能出現(xiàn)明顯衰減。為了解決這個難題，團(tuán)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(yīng)變也能達(dá)到10%。
走向臨床仍需進(jìn)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(dāng)于給人體肌肉施加外力，幫助受傷的肌肉康復(fù)。
“如果將來生物膠帶應(yīng)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(jī)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(jìn)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(yīng)用于臨床還要考慮對不同位置肌肉復(fù)健的適用性、肌肉復(fù)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(xué)人工肌肉的應(yīng)用場景之一。胡興好表示，未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步探索電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉的機(jī)理。在機(jī)理清晰的基礎(chǔ)上，他們還將廣泛開展纖維人工肌肉的應(yīng)用研究，例如制作用于手部康復(fù)的康復(fù)手套、外骨骼機(jī)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(xiàn)骨折，醫(yī)生通常會建議患者可以嘗試康復(fù)治療，例如戴上可穿戴式設(shè)備，幫助受傷肌肉做恢復(fù)訓(xùn)練。但這樣既不方便，也不美觀。 有沒有一種具有修復(fù)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(fù)使用?日前，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授胡興好團(tuán)隊研制出的生物膠帶，有望讓這一設(shè)想成為現(xiàn)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(fù)。相關(guān)研究論文發(fā)表在國際期刊《美國化學(xué)學(xué)會·納米》上。 可以反復(fù)使用的生物膠帶 人工肌肉是人們依照動物骨骼肌設(shè)計出的具有高輸出應(yīng)變、高輸出能量、高輸出功率以及大負(fù)載能力的柔性驅(qū)動器。由于其體積小、運(yùn)動自由度高，可以適應(yīng)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(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 胡興好團(tuán)隊一直從事人工肌肉驅(qū)動機(jī)理的研究。他們在此前的相關(guān)研究中，提出一種新型高性能電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉，探索出了人工肌肉的全新驅(qū)動機(jī)理。這為人工肌肉的實際應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 近年來，團(tuán)隊開始探索纖維人工肌肉在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，一根纖維人工肌肉直徑僅有100多微米，粗細(xì)同頭發(fā)絲差不多。如果將其應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人等醫(yī)療輔助設(shè)備上，對能量、功率、材料等要求很高。胡興好認(rèn)為，要讓細(xì)如牛毛的纖維人工肌肉在醫(yī)療領(lǐng)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(guān)于小鼠的生物實驗，受傷的小鼠貼了膏藥后恢復(fù)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(fù)，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(fù)使用。”胡興好介紹。 解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和凝膠材質(zhì)問題 要想真正制出生物膠帶，還需要根據(jù)對生物膠帶的特殊要求，進(jìn)一步解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和凝膠材質(zhì)這兩個關(guān)鍵問題。為了讓生物膠帶輕便美觀，團(tuán)隊首先從改變電極結(jié)構(gòu)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(tuán)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生張峰瑞介紹，測試結(jié)果表明，改變電極結(jié)構(gòu)后的生物膠帶，性能基本不受影響。 隨后，團(tuán)隊又把研究重點(diǎn)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(rèn)的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維可以在多種方式下進(jìn)行驅(qū)動。胡興好解釋，碳納米管纖維有很多孔隙。在電化學(xué)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(zhuǎn)化為長度收縮。 “以前，我們關(guān)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(xiàn)在，我們設(shè)計生物膠帶是為了帶動人體肌肉運(yùn)動，我們更關(guān)注纖維人工肌肉在長度不變的情況下，能夠產(chǎn)生多大的力。”胡興好說。 要讓纖維人工肌肉在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生更大的力，除了要優(yōu)化材料，讓更多數(shù)量的溶劑化離子進(jìn)入碳納米管纖維，還要增大每個進(jìn)入離子的有效體積。其中，電解液的選擇非常關(guān)鍵。通過實驗，胡興好團(tuán)隊最終決定采用有機(jī)電解液，使得制備的纖維人工肌肉輸出應(yīng)變提高了16%。 生物膠帶是一種凝膠敷貼。在實際應(yīng)用中，這種類似果凍的凝膠就充當(dāng)了有機(jī)電解液，可以有效驅(qū)動纖維人工肌肉。但胡興好發(fā)現(xiàn)，電解液從液體變?yōu)槟z后，纖維人工肌肉的性能出現(xiàn)明顯衰減。為了解決這個難題，團(tuán)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(yīng)變也能達(dá)到10%。 走向臨床仍需進(jìn)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(dāng)于給人體肌肉施加外力，幫助受傷的肌肉康復(fù)。 “如果將來生物膠帶應(yīng)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(jī)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(jìn)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(yīng)用于臨床還要考慮對不同位置肌肉復(fù)健的適用性、肌肉復(fù)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(xué)人工肌肉的應(yīng)用場景之一。胡興好表示，未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步探索電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉的機(jī)理。在機(jī)理清晰的基礎(chǔ)上，他們還將廣泛開展纖維人工肌肉的應(yīng)用研究，例如制作用于手部康復(fù)的康復(fù)手套、外骨骼機(jī)器人等。（責(zé)任編輯：華康）
