基于熱致液晶彈性體的仿生心臟泵的設(shè)計(jì)

楊佳楠，陳思,2*，王芳群，荊騰，喬筱祺

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013 ； 2. 科羅拉多大學(xué)機(jī)械工程系，美國(guó) 博爾德 80309 ； 3. 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

人工心臟的研究方向主要有2個(gè)方面：葉輪泵和容積泵[1].葉輪泵利用葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推動(dòng)力或離心力達(dá)到供血的目的，這是心臟泵當(dāng)前研究的主流，缺點(diǎn)是生物相容性不高，較重.容積泵是利用仿生學(xué)原理研制的人工心臟，主要通過(guò)容積變化達(dá)到供血目的.成熟的商品化容積泵有Abiomend BVS 5000，Thoratec VAD，Berlin Heart VAD，Medos VAD和Novacor VAD等.

雖然容積泵工作原理和自然心臟類似，但具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作壽命短、能耗高等缺點(diǎn).2019年發(fā)表在心血管醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)研究[2]顯示，利用新型功能材料光致變形液晶彈性體(liquid crystal elastomers，簡(jiǎn)稱LCEs)來(lái)復(fù)制心肌的各項(xiàng)特性，實(shí)現(xiàn)了幫助心室收縮的功能，引起了極大的關(guān)注.自此，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，容積泵也有了更多的發(fā)展空間.文中便是采用熱致動(dòng)液晶彈性體對(duì)心室心肌進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，使之具有自然心室的結(jié)構(gòu)并兼具柔性的特點(diǎn).

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 螺旋心室心肌帶

心臟可以看作由心肌驅(qū)動(dòng)的泵結(jié)構(gòu).若從仿生心肌角度進(jìn)行心臟泵設(shè)計(jì)，使仿生心肌的方向模擬心臟天然的纖維形態(tài)，那么，了解心臟心室的三維空間結(jié)構(gòu)和心肌纖維走行就非常重要.

“心肌帶理論”(helical ventricular myocardial band theory，簡(jiǎn)稱HVMB理論)是由TORRENT-GUASP教授在1957年提出，螺旋心室心肌帶解剖結(jié)構(gòu)如圖1所示[3].該理論認(rèn)為，心肌本質(zhì)上是1個(gè)巨大的螺旋帶，包裹著每個(gè)心室.這條心肌帶起自肺動(dòng)脈，止于主動(dòng)脈，在空間結(jié)構(gòu)上，心肌帶的降段自基底部縱斜形向下走行，到達(dá)心尖部經(jīng)螺旋形旋轉(zhuǎn)后延續(xù)為升段，升段自心尖到基底部橫斜形向上走行[4].

2020年1月，麻省理工學(xué)院開發(fā)了生物機(jī)械混合心臟[5]， 他們先用化學(xué)方法保存除了心肌以外的活體心臟組織，再根據(jù)HVMB理論，制作人造心肌，替換了原有的心肌組織.論文中所用的人造心肌是一種柔性氣動(dòng)裝置，研究人員可以遠(yuǎn)程充氣，通過(guò)擠壓心臟內(nèi)部來(lái)模擬真實(shí)的心臟跳動(dòng)方式和血液循環(huán).此混合心臟可為離體心臟瓣膜試驗(yàn)提供更為廉價(jià)、接近真實(shí)心臟腔室的試驗(yàn)器材.但距離體內(nèi)可應(yīng)用心臟泵還有很大的距離.

HVMB理論使得人們對(duì)心室空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)由3D轉(zhuǎn)向2D、由多腔室轉(zhuǎn)為心肌帶，使仿生更為簡(jiǎn)單.

左心室因需泵血至體循環(huán)，工作時(shí)壓力較大，心室壁厚.雖然重建難度大，但左室段心肌纖維走行方向卻較為一致.因此，采用液晶彈性體代替心肌時(shí)，左心室段比心肌帶的其他段更容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).

圖1 螺旋心室心肌帶解剖示意圖[2]

1.2 液晶彈性體

液晶彈性體(liquid crystalline elastomers, LCEs)是由液晶相序(自組織)和彈性高分子量適度交聯(lián)得到[6]，在熱、光或電場(chǎng)的刺激下，可以表現(xiàn)出形狀、軟彈性、光學(xué)特性的改變，是目前高分子材料研究中十分活躍的領(lǐng)域.LCEs在人工肌肉、納米機(jī)械、人工智能等方面顯示出良好的應(yīng)用前景[7-8].

肯特州立大學(xué)的液晶研究所曾利用有限元分析的方法論證了LCEs做成蠕動(dòng)泵的可行性，如圖2所示[9].蠕動(dòng)泵是容積泵的一種，也是靠容積的變化驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng).文中提出2種高度理想化蠕動(dòng)泵概念設(shè)計(jì)，既可以單獨(dú)用LCEs組成管狀泵(見圖2a)，管體以蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)起伏，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)；也可以用LCEs薄膜覆蓋剛性通道(見圖2b)，達(dá)到傳質(zhì)的目的.因此，文中將液晶彈性體制作成管狀泵的形式，代替心肌纖維，實(shí)現(xiàn)心室的泵血功能.

圖2 蠕動(dòng)泵的2種典型形態(tài)有限元仿真[8]

2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

2.1 LCEs制備方法

文中采用的熱致變形液晶彈性體是LCEs的一種，它可以通過(guò)改變溫度調(diào)節(jié)液晶彈性體的狀態(tài)、形狀，比光致變形液晶彈性體更易操控.制備的方法參照科羅拉多大學(xué)YAKACKI課題組2016年發(fā)表在視頻雜志Jove上的論文[9].

制備過(guò)程大致分為2個(gè)步驟[10]，如圖3所示：

1) 交聯(lián)反應(yīng).將2種硫醇單體PETMP(pentaerythritol tetrakis (3-mercaptopropionat))和EDDET(2,2’-(ethylenedioxy) diethanethiol)混合，與丙烯酸液晶元RM257(1,4-Bis-(4-(3-acryloyloxypropyloxy)-benz-oyloxy)-2-methylbenzene)一起溶解到甲苯溶液中，如圖3a所示.經(jīng)過(guò)邁克爾加成反應(yīng)，即加入催化劑DPA(Dipropyl amine)和HHMP(photoinitiator(2-hydr-oxyethoxy)-2-methylpropiophenone)，抽真空，成膜，放入80℃烤箱10h，得到了如圖3b所示的多疇結(jié)構(gòu).

2) LCEs需要機(jī)械雕刻以形成適當(dāng)?shù)男螤畈⑦M(jìn)行紫外光固化.文中制備過(guò)程中，主要采用拉伸的方式對(duì)制備好的LCEs進(jìn)行機(jī)械雕刻，見圖3c，拉伸量為50%～200%.并經(jīng)過(guò)光致聚合作用，用紫外光固化15 min后制備完成，得到圖3d所示的單疇結(jié)構(gòu).

圖3 熱致變形液晶彈性體合成反應(yīng)的2個(gè)步驟及其分子構(gòu)相

LCEs由交聯(lián)的主鏈液晶單元和(或)側(cè)鏈液晶單元組成.主鏈液晶聚合物是高性能的、非交聯(lián)的大分子，能通過(guò)剛性的棒狀分子構(gòu)象和分子內(nèi)的相互作用形成液晶相[8].當(dāng)LCEs受熱超過(guò)一定溫度時(shí)，形狀發(fā)生改變.液態(tài)彈性體高分子鏈的網(wǎng)絡(luò)存在2種狀態(tài)，各向異相和各向同相，受熱后，由圖3d的各向同相轉(zhuǎn)變?yōu)閳D3b的各向異相，形狀變?yōu)闄C(jī)械雕刻前的狀態(tài).冷卻后，各向異相重新恢復(fù)到各項(xiàng)同向，形狀變?yōu)闄C(jī)械雕刻后的狀態(tài).

2.2 熱致動(dòng)設(shè)計(jì)

文中選用二氧化硅摻雜的液態(tài)金屬鎵做成熱致動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)LCE變形.液態(tài)金屬鎵的屬性：原子序數(shù)31;原子量69.723;熔點(diǎn)29.76 ℃;熱膨脹系數(shù)18μm/(m·K) (25℃);熱導(dǎo)率40.6 W/(m·K);電阻率270 nΩ·m (20 ℃).雖然液態(tài)金屬較普通導(dǎo)線如銅導(dǎo)線有較低的導(dǎo)電性，但二氧化硅微粒可以進(jìn)一步增大液態(tài)金屬線圈的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量.

ROGERS課題組發(fā)表的論文比較了金屬導(dǎo)線在柔性基底上分別采用Peano, Greek cross, Vicsek等幾種不同空間分形填充曲線作為走行路線時(shí)的優(yōu)劣[11].而本設(shè)計(jì)利用液態(tài)金屬鎵作為熱致導(dǎo)體.液態(tài)金屬兼具金屬特性和流動(dòng)特性，因此文中簡(jiǎn)單地選取了Hilbert平面填充曲線作為液態(tài)金屬在LCEs中的走行方式，既能保證一定的延展性，也可以保證LCEs平面加熱時(shí)的均勻性.

2.3 心室泵設(shè)計(jì)

LCEs制備成功后，采用Ecoflex (Ecoflex-00-30)對(duì)液態(tài)金屬熱致動(dòng)線圈進(jìn)行封裝.Ecoflex是鉑催化的有機(jī)硅，用途廣泛且易于使用.因PDMS與Ecoflex透明、柔軟、粘合性較好，都被經(jīng)常用來(lái)作為封裝材料.此處選擇Ecoflex是因?yàn)槲闹行氖冶玫脑O(shè)計(jì)形變量大，對(duì)封裝材料的彈性模量有較高要求，而PDMS較硬、形變量較小.熱致線圈封裝完成后，LCEs兩端固定連接，形成管狀，如圖4所示.

圖4 熱致線圈封裝后的LCEs實(shí)物圖

上下兩端開口連接柔性膠管，制成以LCEs為材料的心室泵.心室泵的設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示，圖中H為泵的高度，D為泵的直徑.

圖5 心室泵設(shè)計(jì)示意圖

3 設(shè)計(jì)分析與討論

3.1 心室泵效率

自然心臟的工作效率從2個(gè)方面來(lái)衡量，一是每搏心輸出量(stroke volume，簡(jiǎn)稱搏出量)，二是心率.

1) 搏出量是指1次心搏、一側(cè)心室射出的血量，等于心舒末期容積與心縮末期容積之差值.心舒末期容積(即心室充盈量)為130～145 mL，心縮末期容積(即心室射血期末留存于心室的余血)為60～80 mL.故搏出量為65～70 mL.搏出量與心舒末期容積之比稱為射血分?jǐn)?shù)，安靜時(shí)為50%～60%，心肌收縮力越強(qiáng)，搏出量越多，射血分?jǐn)?shù)越大.

當(dāng)LCEs的拉伸比取K時(shí)，即圓柱底邊周長(zhǎng)拉伸比取K值時(shí)，搏出量SV的計(jì)算公式為

(1)

而射血分?jǐn)?shù)s，僅與LCEs的拉伸比K有關(guān)：

s=1-1/(1+K)2.

(2)

舉例來(lái)說(shuō)，若LCEs的拉伸比K取100%時(shí)，恒流源接通心室泵后，熱致動(dòng)線圈發(fā)熱，LCEs收縮至拉伸前狀態(tài)，容積減小75%，此時(shí)心室泵的射血分?jǐn)?shù)為75%.若LCEs的拉伸比K取200%時(shí)，心室泵的射血分?jǐn)?shù)可以達(dá)到89%.所以，文中設(shè)計(jì)的心室泵的搏出量高于自然心臟.

2) 心率是指正常人安靜狀態(tài)下每分鐘心跳的次數(shù)，也叫安靜心率，一般為60～100次/min.

試驗(yàn)中對(duì)心室泵通電加熱驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇恒流源.測(cè)得電阻約為3Ω，電阻大小取決于熱致線圈的粗細(xì)及總長(zhǎng)度.

電流1A時(shí)，約2 min達(dá)到最大形變量.電流2A時(shí)，約1 min達(dá)到最大形變量.完全冷卻均需約3 min.與自然心臟相比，這種心室泵的心率顯然是太低了.

所以，文中設(shè)計(jì)的心室泵達(dá)不到自然心臟的心率.但在后續(xù)研究中，可以通過(guò)一些方式改變效率.比如，構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)以提高效率，并減少耗能.如圖6所示，文中設(shè)計(jì)的帽型雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是將圓形LCEs試樣以圓心為起點(diǎn)雙軸拉伸，再經(jīng)紫外光固化得到.用熱溫槍測(cè)試時(shí)，帽型的LCEs在變形至臨界程度時(shí)，會(huì)突變至另一穩(wěn)態(tài).就像在給帽子施加壓力時(shí)，經(jīng)過(guò)臨界形狀，帽子底部會(huì)突然翻轉(zhuǎn)至另外一邊.此時(shí)，只需要消耗一半的能量與時(shí)間，就能達(dá)到最大形變量.但結(jié)合螺旋心室心肌帶理論，其構(gòu)造還需進(jìn)一步討論研究.

圖6 LCEs的帽型雙穩(wěn)態(tài)

3.2 熱致變形方向

心肌帶左心室段心肌纖維走向較為一致，因此，在對(duì)LCEs進(jìn)行機(jī)械雕刻時(shí)，單軸拉伸LCEs即可使之與自然心臟的心肌纖維走向類似.心室泵通電后，向中間凹陷變形，如圖5箭頭所示.這是因?yàn)?，LCEs僅在拉伸方向上發(fā)生形狀改變.

在仿生整個(gè)心肌帶時(shí)，其他幾段的心肌纖維走向較為復(fù)雜，需要對(duì)LCEs的機(jī)械雕刻做出相應(yīng)的調(diào)整.為此，文中以圓形LCEs薄膜為樣本，測(cè)試了LCEs雙軸拉伸的可能性，如圖7所示.用熱溫槍對(duì)固化后的試樣進(jìn)行加熱，試樣形變成雙軸拉伸前的圓形形狀；冷卻后，試樣又恢復(fù)至雙軸拉伸后的形狀.所以，雙軸拉伸是可行的.另外，機(jī)械雕刻也可以改變LCEs的形變量，是調(diào)節(jié)心臟泵工作效率的方法之一.

圖7 LCEs雙軸拉伸

4 結(jié) 論

文中選取了螺旋心室心肌帶的左心室段進(jìn)行仿生，利用熱致變形的液晶彈性體取代心室心肌，并將液態(tài)金屬做成熱致線圈，制作了左心室泵.心室泵的搏出量?jī)?yōu)于自然心臟，但心率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及自然心臟.這為仿生心臟泵的研究提供了新的思路.在后續(xù)的研究中將集中以下幾個(gè)方面的研究.

1) 研究心肌帶的另外幾段特征，以完整重建螺旋心室心肌帶，制作仿生心臟泵.

2) LCEs在生物學(xué)中的應(yīng)用受限于緩慢的響應(yīng)時(shí)間和在激活期間調(diào)節(jié)張力水平的困難.所以，將研究LCEs新配方，使之更接近心肌纖維特性.進(jìn)一步設(shè)計(jì)仿生心臟泵雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)也可改變這一缺陷.