研究人员从小说里找灵感，制出生物胶带
肌肉受了伤 一“贴”助恢复
◎本报记者 张 晔 通讯员 吴 奕
崴脚是人们生活中常见的一种踝部损伤。崴脚后，如果没有明显创伤，也未发现骨折，医生通常会建议患者可以尝试康复治疗，例如戴上可穿戴式设备，帮助受伤肌肉做恢复训练。但这样既不方便，也不美观。
有没有一种具有修复功能的“创可贴”，能做到哪里的肌肉受伤了就贴在哪里，既方便还可以反复使用？日前，江苏大学机械工程学院副教授胡兴好团队研制出的生物胶带，有望让这一设想成为现实。把这种基于纤维人工肌肉的生物胶带贴敷在受伤或者萎缩的人体肌肉上，在外部施加小幅电压，胶带就会自动收缩，从而带动肌肉组织收缩，帮助受伤或萎缩的肌肉组织恢复。相关研究论文发表在国际期刊《美国化学学会·纳米》上。
可以反复使用的生物胶带
人工肌肉是人们依照动物骨骼肌设计出的具有高输出应变、高输出能量、高输出功率以及大负载能力的柔性驱动器。由于其体积小、运动自由度高，可以适应一些受限的工作环境，因此在柔性骨骼、柔性飞行器、生物医疗、精准微创手术等领域有着广阔的应用前景。
胡兴好团队一直从事人工肌肉驱动机理的研究。他们在此前的相关研究中，提出一种新型高性能电化学驱动人工肌肉，探索出了人工肌肉的全新驱动机理。这为人工肌肉的实际应用发展奠定了基础。
近年来，团队开始探索纤维人工肌肉在医疗健康领域的应用。然而，一根纤维人工肌肉直径仅有100多微米，粗细同头发丝差不多。如果将其应用在外骨骼机器人等医疗辅助设备上，对能量、功率、材料等要求很高。胡兴好认为，要让细如牛毛的纤维人工肌肉在医疗领域更好地发挥作用，还是要从“小”方面入手。
胡兴好告诉记者，他曾读过的一篇科技小说中，介绍了一个关于小鼠的生物实验，受伤的小鼠贴了膏药后恢复了肌肉功能。这个描述让胡兴好大受启发，他由此想到把人工肌肉做成生物胶带。目前，市场上还没有类似的生物胶带。
“普通医疗胶带是靠药物起作用帮助患者恢复，有效性短，药物失效了就不能再使用；而生物胶带靠的是物理作用，用人工肌肉的收缩带动人体肌肉收缩。而且这种生物胶带体积小、便携带，随时可用，还能反复使用。”胡兴好介绍。
解决结构设计和凝胶材质问题
要想真正制出生物胶带，还需要根据对生物胶带的特殊要求，进一步解决结构设计和凝胶材质这两个关键问题。为了让生物胶带轻便美观，团队首先从改变电极结构入手，以减轻生物胶带的重量。实验室过去通常采用的是单根纤维电极与其他电极材料组成的三电极系统。在新研制的生物胶带中，团队采用的是两根纤维组成的相对电极，这样能够使生物胶带的重量大大减轻。江苏大学机械工程学院硕士研究生张峰瑞介绍，测试结果表明，改变电极结构后的生物胶带，性能基本不受影响。
随后，团队又把研究重点放在了纤维人工肌肉材料的改性上。碳纳米管纤维是国际公认的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋结构的碳纳米管纤维可以在多种方式下进行驱动。胡兴好解释，碳纳米管纤维有很多孔隙。在电化学电压作用下，电解液中的溶剂化离子，会跑到碳纳米管纤维的孔隙中，从而使碳纳米管纤维的体积增大；再通过类似搓麻绳的加捻过程，就可将碳纳米管纤维体积膨胀转化为长度收缩。
“以前，我们关注的是在外界电压作用下，纤维人工肌肉可以伸多长、缩多短。现在，我们设计生物胶带是为了带动人体肌肉运动，我们更关注纤维人工肌肉在长度不变的情况下，能够产生多大的力。”胡兴好说。
要让纤维人工肌肉在静止状态下产生更大的力，除了要优化材料，让更多数量的溶剂化离子进入碳纳米管纤维，还要增大每个进入离子的有效体积。其中，电解液的选择非常关键。通过实验，胡兴好团队最终决定采用有机电解液，使得制备的纤维人工肌肉输出应变提高了16%。
生物胶带是一种凝胶敷贴。在实际应用中，这种类似果冻的凝胶就充当了有机电解液，可以有效驱动纤维人工肌肉。但胡兴好发现，电解液从液体变为凝胶后，纤维人工肌肉的性能出现明显衰减。为了解决这个难题，团队不断更换凝胶的选型和浓度，最终找到了合适的凝胶电解液，使纤维人工肌肉在凝胶电解液下的输出应变也能达到10%。
走向临床仍需进一步优化
在胡兴好的实验室里，记者看到两条涂覆凝胶的黑色纤维人工肌肉被固定在硅胶材料中。这就是生物胶带的雏形。把生物胶带贴在皮肤上，施加1至3伏左右的电压，人会明显感觉到自己的皮肤和肌肉随着胶带收缩。这相当于给人体肌肉施加外力，帮助受伤的肌肉康复。
“如果将来生物胶带应用到临床，可以将柔性电池、柔性传感器和纤维人工肌肉一起封装在硅胶基体中，制成自供电、可穿戴的生物胶带，类似于柔性显示屏。还可以通过手机App来操作和监控生物胶带的收缩效果，提升患者的体验度。”胡兴好说。
目前，生物胶带还只是实验室成果，在透气性、使用寿命和工艺制作流程等方面，都需要进一步优化。例如生物胶带目前使用的基底材料是柔性且无害的硅胶，但基底材料的透气性较差，如果长期使用，需要提高透气性。此外，生物胶带除了本身需要优化，应用于临床还要考虑对不同位置肌肉复健的适用性、肌肉复健时的通断频率等问题。
基于纤维人工肌肉制作出的生物胶带，只是电化学人工肌肉的应用场景之一。胡兴好表示，未来，团队将进一步探索电化学驱动人工肌肉的机理。在机理清晰的基础上，他们还将广泛开展纤维人工肌肉的应用研究，例如制作用于手部康复的康复手套、外骨骼机器人等。
【编辑:陈文韬】