新型致動(dòng)器在人工心臟中的應(yīng)用

新型致動(dòng)器在人工心臟中的應(yīng)用

1新型致動(dòng)器的開(kāi)發(fā)心臟病和濾過(guò)性疾病可降低心臟肌肉功能，減少水泵流量。但此時(shí),心臟仍然有足夠的能量去維持生命,只是不能在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候提供足夠的輸出血。當(dāng)心臟肌肉的功能減弱或完全無(wú)法工作時(shí),唯一的方法就是做心臟移植手術(shù)。世界上現(xiàn)在需要接受心臟移植的病人越來(lái)越多,但是全世界每年捐贈(zèng)出來(lái)的心臟還不到2000個(gè),很多患者都失去了生存的機(jī)會(huì)。因此,人們一直都希望研究出能夠代替心臟功能的人工心臟。人工心臟可分為串入血路的血泵式和不串入血路的心外擠壓式。血泵式在很多植入人體的設(shè)備中都用到過(guò),它是在血路中使用一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的葉輪去增加血流量,但是這種方法目前發(fā)現(xiàn)有很多問(wèn)題。第一,快速旋轉(zhuǎn)的葉輪會(huì)破壞血細(xì)胞并引起血栓;第二,為了防止人體對(duì)血泵的排斥性,必須服用大量的抗凝藥物,這些藥物會(huì)降低人體的免疫性。這些都是血液通過(guò)人工腔所引起的并發(fā)癥,因?yàn)槿斯で粫?huì)被免疫系統(tǒng)認(rèn)為是異質(zhì)的,會(huì)被免疫系統(tǒng)攻擊。因此,為了避免血液和植入器件之間的接觸,可以采用一個(gè)直接擠壓心臟的裝置來(lái)輔助心臟,這個(gè)就是心外擠壓式,也稱(chēng)為直接心臟輔助裝置。新型的、有效的致動(dòng)器的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用,在人工心臟技術(shù)發(fā)展中處于至關(guān)重要的地位,一直受到人們的關(guān)注。近年來(lái),隨著新材料、微細(xì)加工技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)等的引入,出現(xiàn)了各種形式的新型致動(dòng)器,如電磁驅(qū)動(dòng)型、形狀記憶合金型、氣動(dòng)型和熱膨脹型等,各種致動(dòng)器具有不同的致動(dòng)原理和各自的致動(dòng)特點(diǎn),可用于各種各樣的場(chǎng)合。其中,一類(lèi)基于學(xué)習(xí)生物體運(yùn)動(dòng)原理而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的致動(dòng)器——人工肌肉,得到了廣泛的關(guān)注和研究。本文討論的就是將人工肌肉作為一種新型的致動(dòng)器在直接心臟輔助裝置中的應(yīng)用前景。2高分子材料人工肌肉的制備方法人工肌肉是一種跟生物肌肉具有相似特性的致動(dòng)器,它和生物肌肉一樣具有彈性和剛性,并能對(duì)外界的刺激產(chǎn)生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等各種形式的力學(xué)響應(yīng)。其主要形式有兩類(lèi),一類(lèi)是利用高分子材料技術(shù)而制成的高分子人工肌肉,另一類(lèi)是通過(guò)外界能量轉(zhuǎn)換而制成的類(lèi)似生物肌肉特性的人工肌肉。下面我們將介紹八種材料,它們的致動(dòng)特性都非常類(lèi)似于生物肌肉,故都被稱(chēng)為人工肌肉。2.1對(duì)環(huán)境條件的調(diào)整形狀記憶合金是一種新功能材料,它具有形狀記憶的效應(yīng)。它能夠感知并響應(yīng)環(huán)境溫度的變化,對(duì)其狀態(tài)參數(shù)(如形狀、位置、應(yīng)變等)進(jìn)行調(diào)整,從而回復(fù)到其預(yù)先設(shè)定狀態(tài)。它經(jīng)過(guò)特定的記憶處理,在低溫下經(jīng)過(guò)塑性變形,溫度升高到相應(yīng)溫度點(diǎn)后,合金會(huì)回復(fù)到記憶的形狀。2.2電場(chǎng)作用下的雜在導(dǎo)電聚合物中摻雜的離子在聚合物的分子鏈之間往往形成柱狀陣列,隨著摻雜濃度的提高,后繼嵌入的摻雜離子可能進(jìn)入此前形成的陣列中,也可能形成新的陣列,并導(dǎo)致大分子鏈相互分離。在電場(chǎng)作用下,對(duì)聚合物的摻雜過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)氧化-還原過(guò)程。共軛導(dǎo)電聚合物處于不同的氧化態(tài)時(shí),其體積有顯著的不同,即對(duì)于外加電壓會(huì)產(chǎn)生體積響應(yīng)。由于導(dǎo)電聚合物的體積電位響應(yīng),在外電場(chǎng)作用下氧化或還原時(shí),其自身體積會(huì)發(fā)生顯著變化,可用來(lái)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)這一特性,可以制造人工肌肉,以模擬動(dòng)物肢體中肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)。2.3電容驅(qū)動(dòng)型碳納米管致動(dòng)器1991年日本NEC公司的飯島純雄(SumioIijima)首次利用電子顯微鏡觀察到中空的碳纖維,直徑一般在幾納米到幾十個(gè)納米之間,長(zhǎng)度為數(shù)微米,甚至毫米,稱(chēng)為“碳納米管”。電容驅(qū)動(dòng)型碳納米管用作致動(dòng)器的原理是把碳納米管加工后制成紙片狀條,兩邊施加電壓。其反應(yīng)快達(dá)15Hz,可在0.5V下60次/min運(yùn)行14萬(wàn)次,效率33%,壓力達(dá)0.75MPa,大于人的肌肉所產(chǎn)生的0.35MPa壓力。2.4金屬薄膜彎曲離子交換膜金屬?gòu)?fù)合材料是一種新型的智能材料。當(dāng)給離子交換膜金屬?gòu)?fù)合材料薄膜施加直流電壓時(shí),薄膜向陽(yáng)極彎曲,并且彎曲程度隨著電壓的增加而上升,直至達(dá)到飽和狀態(tài)。在交流電壓下,薄膜產(chǎn)生擺動(dòng)彎曲,并且其位移取決于電壓幅值和頻率。2.5在肌肉中摻雜導(dǎo)電物質(zhì)當(dāng)溫度改變或外部電場(chǎng)改變時(shí),液晶彈性體中相就會(huì)改變,從而引起彈性體薄膜沿矢方向單軸收縮,因此可以用來(lái)模擬肌肉的行為。然而其局限性在于液晶彈性體薄膜由于自身具有的低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,對(duì)外界刺激響應(yīng)比較緩慢。對(duì)于以上缺陷,可以通過(guò)摻雜導(dǎo)熱導(dǎo)電物質(zhì)的方法來(lái)提高其響應(yīng)能力。Shenoy等報(bào)道了在液晶彈性體表面涂覆碳涂層,使用紅外二極管激光器產(chǎn)生光吸收,從而可以大大縮減反應(yīng)時(shí)間,而且彈性體薄膜的機(jī)械性能未受到顯著影響。2.6機(jī)械應(yīng)力加電壓如果對(duì)壓電材料施加壓力,它便會(huì)產(chǎn)生電位差(稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)),反之施加電壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力(稱(chēng)為逆壓電效應(yīng))。壓電材料特別引人注目,因?yàn)樗哂袀鞲衅骱蛨?zhí)行器兩種功能,并能以單個(gè)元件同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種功能,而且具有高頻響應(yīng)能力。然而,應(yīng)變輸出低已成為壓電材料在致動(dòng)器應(yīng)用上的缺點(diǎn)。2.7凝膠的膨脹或收縮聚合物凝膠是由交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)和填充其間的流體成分所構(gòu)成,凝膠既有流體的運(yùn)動(dòng)性和流動(dòng)性,又可以像固體那樣能保持一定的形狀。聚合物凝膠最重要的特征還在于它是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),可以和外界進(jìn)行能量、物質(zhì)和信息的交換,如將凝膠置于溶液中,由于其內(nèi)部與外部溶液中的溶劑之間存在化學(xué)勢(shì)的差異,而導(dǎo)致溶劑的吸入和排出,這個(gè)過(guò)程伴隨著凝膠的膨脹或收縮形變。正是凝膠與外界物質(zhì)、能量和信息交換的這種相互作用才導(dǎo)致凝膠的形狀、大小和性質(zhì)發(fā)生變化,呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。同其它形狀記憶材料相比,形狀記憶凝膠能夠?qū)Χ喾N刺激發(fā)生響應(yīng),且響應(yīng)幅度大。除了對(duì)熱刺激敏感的聚合物凝膠外,還發(fā)現(xiàn)了許多可以響應(yīng)光、電磁場(chǎng)、溶劑、力場(chǎng)等刺激的聚合物凝膠,形成了一個(gè)新的智能高分子材料研究領(lǐng)域。這些高分子凝膠在藥物緩釋、仿生材料(動(dòng)物的肌肉體系也是一個(gè)智能型聚合物凝膠體系,通過(guò)肌肉的收縮與舒張可以把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能)等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.8沿磁場(chǎng)方向拉伸磁敏型收縮材料是一種磁敏纖維和溶劑組分敏感的纖維。在纖維中引入水狀磁性流體時(shí),可保持超常的磁性,出現(xiàn)沿磁場(chǎng)方向伸縮的行為。由PVA、聚烯丙胺(PALA)等加工而成。墨西哥學(xué)者用稀土材料做成磁敏型收縮材料,聲稱(chēng)可以達(dá)到用于人工假體肌肉的水平。其產(chǎn)力達(dá)167N,加速度達(dá)7×10-3m/s。收縮率為32%,正被開(kāi)發(fā)成人工假肢材料。3人工肌肉和心臟肌肉的比較及其應(yīng)用3.1有足夠的生物利用的環(huán)境,這既是一個(gè)生物在本文中,人工肌肉是作為直接輔助心臟的致動(dòng)器用在人體內(nèi),它必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)。第一,它是可植入的,所以必須與人體具有生物相容性;第二,必須有合適的重量和體積,才能放置在人體內(nèi);第三,它要能對(duì)心臟進(jìn)行擠壓,所以它的壓力必須比心臟肌肉的壓力大;第四,它對(duì)心臟的擠壓要明顯,所以必須有一個(gè)足夠大的應(yīng)變;第五,它的負(fù)載做功能力、重復(fù)精度、壽命和效率也是很重要的性能指標(biāo)。3.2人工肌肉的制備與利用的必要性由于人工肌肉是作為致動(dòng)器用在直接心臟輔助裝置中,直接作用在心臟的外表面上,與心臟肌肉進(jìn)行力的作用,所以我們選出了一些重要的特性,將以上八種人工肌肉材料和心臟肌肉在這些特性上進(jìn)行比較,如表1所示。作為一個(gè)直接心臟輔助的動(dòng)作器,最重要的3個(gè)參數(shù)是應(yīng)力、應(yīng)變率及反映單位質(zhì)量應(yīng)力和應(yīng)變率綜合作用的功率密度。從應(yīng)力角度來(lái)看,表1中每種動(dòng)作器的應(yīng)力都大于心臟肌肉的應(yīng)力。從應(yīng)變的角度來(lái)看,形狀記憶合金、導(dǎo)電聚合物、液晶彈性體和聚合物凝膠可望滿(mǎn)足要求。應(yīng)變率反映了動(dòng)作器件的動(dòng)作速度,比心臟肌肉反應(yīng)動(dòng)作慢很多的動(dòng)作器使直接心臟輔助的許多正面作用變成負(fù)面作用。因此,比心臟肌肉反應(yīng)慢很多的動(dòng)作器將不予考慮。從應(yīng)變率來(lái)看,形狀記憶合金、導(dǎo)電聚合物、碳納米管、液晶彈性體、壓電陶瓷、壓電聚合物有可能滿(mǎn)足要求。功率密度反映了單位重量材料所能輸出功率的大小,是應(yīng)力與應(yīng)變率綜合作用的反映。所以這一指標(biāo)遠(yuǎn)小于心臟肌肉的動(dòng)作器件,將很難對(duì)心臟提供輔助。從功率密度的指標(biāo)來(lái)看:形狀記憶合金、導(dǎo)電聚合物、碳納米管、壓電陶瓷、壓電聚合物及磁敏性伸縮材料等有可能滿(mǎn)足要求?？紤]到應(yīng)變可以通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得以放大,這里將應(yīng)變率和功率密度作為選擇動(dòng)作器件的必要條件。所以可同時(shí)滿(mǎn)足要求的動(dòng)作器件有:形狀記憶合金、壓電陶瓷、壓電聚合物、導(dǎo)電聚合物。效率反映了能量輸出的大小,效率低的器件發(fā)熱嚴(yán)重?？紤]到表1中,壓電聚合物的效率過(guò)低,在目前的技術(shù)條件下,暫時(shí)不考慮壓電聚合物應(yīng)用的可能。器件的循環(huán)次數(shù)反映了器件的壽命和可靠性,從表1來(lái)看,壓電陶瓷的壽命最接近心臟肌肉。從上面的分析可以看出,就目前的技術(shù)水平來(lái)看,在這些材料中,壓電陶瓷、導(dǎo)電聚合物和形狀記憶合金人工肌肉在心臟直接輔助裝置中是最有希望的。目前還沒(méi)有將人工肌肉成功應(yīng)用于人工心臟的先例。但是,作為一種具有巨大潛力的致動(dòng)器,人們正在向這方面努力。像日本的東北大學(xué)熱能傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室正在研究形狀記憶合金致動(dòng)器,有望做成一種低驅(qū)動(dòng)能、體積小和重量輕的心臟輔助裝置,并且東北大學(xué)的Yambe教授已經(jīng)利用這種輔助心跳的人工心臟肌肉裝置,在羊身上進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。我們相信,隨著越來(lái)越多的研究以及研究的逐步加深,人工肌肉的特性必會(huì)得到進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和改進(jìn),它們?cè)谥苯尤斯ば呐K輔助中必會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。4動(dòng)器的應(yīng)用前景本文選用了八種人工肌肉的材料,分別對(duì)它們的原理進(jìn)行了闡述,并將它