楊佳楠，陳思,2*，王芳群，荊騰，喬筱祺

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013 ； 2. 科羅拉多大學機械工程系，美國 博爾德 80309 ； 3. 江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

人工心臟的研究方向主要有2個方面：葉輪泵和容積泵[1].葉輪泵利用葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推動力或離心力達到供血的目的，這是心臟泵當前研究的主流，缺點是生物相容性不高，較重.容積泵是利用仿生學原理研制的人工心臟，主要通過容積變化達到供血目的.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)復雜、工作壽命短、能耗高等缺點.2019年發(fā)表在心血管醫(yī)學領(lǐng)域的一項研究[2]顯示，利用新型功能材料光致變形液晶彈性體(liquid crystal elastomers，簡稱LCEs)來復制心肌的各項特性，實現(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液晶彈性體對心室心肌進行仿生設(shè)計，使之具有自然心室的結(jié)構(gòu)并兼具柔性的特點.

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 螺旋心室心肌帶

心臟可以看作由心肌驅(qū)動的泵結(jié)構(gòu).若從仿生心肌角度進行心臟泵設(shè)計，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].該理論認為，心肌本質(zhì)上是1個巨大的螺旋帶，包裹著每個心室.這條心肌帶起自肺動脈，止于主動脈，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，麻省理工學院開發(fā)了生物機械混合心臟[5]， 他們先用化學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裝置，研究人員可以遠程充氣，通過擠壓心臟內(nèi)部來模擬真實的心臟跳動方式和血液循環(huán).此混合心臟可為離體心臟瓣膜試驗提供更為廉價、接近真實心臟腔室的試驗器材.但距離體內(nèi)可應(yīng)用心臟泵還有很大的距離.

HVMB理論使得人們對心室空間結(jié)構(gòu)的認識由3D轉(zhuǎn)向2D、由多腔室轉(zhuǎn)為心肌帶，使仿生更為簡單.

左心室因需泵血至體循環(huán)，工作時壓力較大，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，左心室段比心肌帶的其他段更容易設(shè)計和實現(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、光或電場的刺激下，可以表現(xiàn)出形狀、軟彈性、光學特性的改變，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做成蠕動泵的可行性，如圖2所示[9].蠕動泵是容積泵的一種，也是靠容積的變化驅(qū)動流體流動.文中提出2種高度理想化蠕動泵概念設(shè)計，既可以單獨用LCEs組成管狀泵(見圖2a)，管體以蠕動運動起伏，驅(qū)動流體流動；也可以用LCEs薄膜覆蓋剛性通道(見圖2b)，達到傳質(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，實現(xiàn)心室的泵血功能.

圖2 蠕動泵的2種典型形態(tài)有限元仿真[8]

2 試驗方法與設(shè)計

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YAKACKI課題組2016年發(fā)表在視頻雜志Jove上的論文[9].

制備過程大致分為2個步驟[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需要機械雕刻以形成適當?shù)男螤畈⑦M行紫外光固化.文中制備過程中，主要采用拉伸的方式對制備好的LCEs進行機械雕刻，見圖3c，拉伸量為50%～200%.并經(jīng)過光致聚合作用，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LCEs受熱超過一定溫度時，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械雕刻前的狀態(tài).冷卻后，各向異相重新恢復到各項同向，形狀變?yōu)闄C械雕刻后的狀態(tài).

2.2 熱致動設(shè)計

文中選用二氧化硅摻雜的液態(tài)金屬鎵做成熱致動線圈，驅(qū)動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29.76 ℃;熱膨脹系數(shù)18μm/(m·K) (25℃);熱導率40.6 W/(m·K);電阻率270 nΩ·m (20 ℃).雖然液態(tài)金屬較普通導線如銅導線有較低的導電性，但二氧化硅微?？梢赃M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的優(yōu)劣[11].而本設(shè)計利用液態(tài)金屬鎵作為熱致導體.液態(tài)金屬兼具金屬特性和流動特性，因此文中簡單地選取了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平面加熱時的均勻性.

2.3 心室泵設(shè)計

LCEs制備成功后，采用Ecoflex (Ecoflex-00-30)對液態(tài)金屬熱致動線圈進行封裝.Ecoflex是鉑催化的有機硅，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)常用來作為封裝材料.此處選擇Ecoflex是因為文中心室泵的設(shè)計形變量大，對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)計示意圖

3 設(shè)計分析與討論

3.1 心室泵效率

自然心臟的工作效率從2個方面來衡量，一是每搏心輸出量(stroke volume，簡稱搏出量)，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數(shù)，安靜時為50%～60%，心肌收縮力越強，搏出量越多，射血分數(shù)越大.

當LCEs的拉伸比取K時，即圓柱底邊周長拉伸比取K值時，搏出量SV的計算公式為

(1)

而射血分數(shù)s，僅與LCEs的拉伸比K有關(guān)：

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

(2)

舉例來說，若LCEs的拉伸比K取100%時，恒流源接通心室泵后，熱致動線圈發(fā)熱，LCEs收縮至拉伸前狀態(tài)，容積減小75%，此時心室泵的射血分數(shù)為75%.若LCEs的拉伸比K取200%時，心室泵的射血分數(shù)可以達到89%.所以，文中設(shè)計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.

試驗中對心室泵通電加熱驅(qū)動時，選擇恒流源.測得電阻約為3Ω，電阻大小取決于熱致線圈的粗細及總長度.

電流1A時，約2 min達到最大形變量.電流2A時，約1 min達到最大形變量.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)計的心室泵達不到自然心臟的心率.但在后續(xù)研究中，可以通過一些方式改變效率.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試樣以圓心為起點雙軸拉伸，再經(jīng)紫外光固化得到.用熱溫槍測試時，帽型的LCEs在變形至臨界程度時，會突變至另一穩(wěn)態(tài).就像在給帽子施加壓力時，經(jīng)過臨界形狀，帽子底部會突然翻轉(zhuǎn)至另外一邊.此時，只需要消耗一半的能量與時間，就能達到最大形變量.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LCEs進行機械雕刻時，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.這是因為，LCEs僅在拉伸方向上發(fā)生形狀改變.

在仿生整個心肌帶時，其他幾段的心肌纖維走向較為復雜，需要對LCEs的機械雕刻做出相應(yīng)的調(diào)整.為此，文中以圓形LCEs薄膜為樣本，測試了LCEs雙軸拉伸的可能性，如圖7所示.用熱溫槍對固化后的試樣進行加熱，試樣形變成雙軸拉伸前的圓形形狀；冷卻后，試樣又恢復至雙軸拉伸后的形狀.所以，雙軸拉伸是可行的.另外，機械雕刻也可以改變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.心室泵的搏出量優(yōu)于自然心臟，但心率卻遠遠不及自然心臟.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在生物學中的應(yīng)用受限于緩慢的響應(yīng)時間和在激活期間調(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.進一步設(shè)計仿生心臟泵雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)也可改變這一缺陷.