新型致動器在人工心臟中的應用

1新型致動器的開發心臟病和濾過性疾病可降低心臟肌肉功能，減少水泵流量。但此時,心臟仍然有足夠的能量去維持生命,只是不能在運動的時候提供足夠的輸出血。當心臟肌肉的功能減弱或完全無法工作時,唯一的方法就是做心臟移植手術。世界上現在需要接受心臟移植的病人越來越多,但是全世界每年捐贈出來的心臟還不到2000個,很多患者都失去了生存的機會。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備中都用到過,它是在血路中使用一個快速旋轉的葉輪去增加血流量,但是這種方法目前發現有很多問題。第一,快速旋轉的葉輪會破壞血細胞并引起血栓;第二,為了防止人體對血泵的排斥性,必須服用大量的抗凝藥物,這些藥物會降低人體的免疫性。這些都是血液通過人工腔所引起的并發癥,因為人工腔會被免疫系統認為是異質的,會被免疫系統攻擊。因此,為了避免血液和植入器件之間的接觸,可以采用一個直接擠壓心臟的裝置來輔助心臟,這個就是心外擠壓式,也稱為直接心臟輔助裝置。新型的、有效的致動器的研究開發及應用,在人工心臟技術發展中處于至關重要的地位,一直受到人們的關注。近年來,隨著新材料、微細加工技術、電子技術、傳感技術等的引入,出現了各種形式的新型致動器,如電磁驅動型、形狀記憶合金型、氣動型和熱膨脹型等,各種致動器具有不同的致動原理和各自的致動特點,可用于各種各樣的場合。其中,一類基于學習生物體運動原理而設計開發出來的致動器——人工肌肉,得到了廣泛的關注和研究。本文討論的就是將人工肌肉作為一種新型的致動器在直接心臟輔助裝置中的應用前景。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器,它和生物肌肉一樣具有彈性和剛性,并能對外界的刺激產生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等各種形式的力學響應。其主要形式有兩類,一類是利用高分子材料技術而制成的高分子人工肌肉,另一類是通過外界能量轉換而制成的類似生物肌肉特性的人工肌肉。下面我們將介紹八種材料,它們的致動特性都非常類似于生物肌肉,故都被稱為人工肌肉。2.1對環境條件的調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。它能夠感知并響應環境溫度的變化,對其狀態參數(如形狀、位置、應變等)進行調整,從而回復到其預先設定狀態。它經過特定的記憶處理,在低溫下經過塑性變形,溫度升高到相應溫度點后,合金會回復到記憶的形狀。2.2電場作用下的雜在導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入此前形成的陣列中,也可能形成新的陣列,并導致大分子鏈相互分離。在電場作用下,對聚合物的摻雜過程實際上是一個氧化-還原過程。共軛導電聚合物處于不同的氧化態時,其體積有顯著的不同,即對于外加電壓會產生體積響應。由于導電聚合物的體積電位響應,在外電場作用下氧化或還原時,其自身體積會發生顯著變化,可用來將電能轉化為機械能。根據這一特性,可以制造人工肌肉,以模擬動物肢體中肌肉的收縮運動。2.3電容驅動型碳納米管致動器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納米之間,長度為數微米,甚至毫米,稱為“碳納米管”。電容驅動型碳納米管用作致動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。其反應快達15Hz,可在0.5V下60次/min運行14萬次,效率33%,壓力達0.75MPa,大于人的肌肉所產生的0.35MPa壓力。2.4金屬薄膜彎曲離子交換膜金屬復合材料是一種新型的智能材料。當給離子交換膜金屬復合材料薄膜施加直流電壓時,薄膜向陽極彎曲,并且彎曲程度隨著電壓的增加而上升,直至達到飽和狀態。在交流電壓下,薄膜產生擺動彎曲,并且其位移取決于電壓幅值和頻率。2.5在肌肉中摻雜導電物質當溫度改變或外部電場改變時,液晶彈性體中相就會改變,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熱性和導電性,對外界刺激響應比較緩慢。對于以上缺陷,可以通過摻雜導熱導電物質的方法來提高其響應能力。Shenoy等報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生光吸收,從而可以大大縮減反應時間,而且彈性體薄膜的機械性能未受到顯著影響。2.6機械應力加電壓如果對壓電材料施加壓力,它便會產生電位差(稱之為正壓電效應),反之施加電壓,則產生機械應力(稱為逆壓電效應)。壓電材料特別引人注目,因為它具有傳感器和執行器兩種功能,并能以單個元件同時實現這兩種功能,而且具有高頻響應能力。然而,應變輸出低已成為壓電材料在致動器應用上的缺點。2.7凝膠的膨脹或收縮聚合物凝膠是由交聯的聚合物網絡和填充其間的流體成分所構成,凝膠既有流體的運動性和流動性,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開放系統,可以和外界進行能量、物質和信息的交換,如將凝膠置于溶液中,由于其內部與外部溶液中的溶劑之間存在化學勢的差異,而導致溶劑的吸入和排出,這個過程伴隨著凝膠的膨脹或收縮形變。正是凝膠與外界物質、能量和信息交換的這種相互作用才導致凝膠的形狀、大小和性質發生變化,呈現出形狀記憶效應。同其它形狀記憶材料相比,形狀記憶凝膠能夠對多種刺激發生響應,且響應幅度大。除了對熱刺激敏感的聚合物凝膠外,還發現了許多可以響應光、電磁場、溶劑、力場等刺激的聚合物凝膠,形成了一個新的智能高分子材料研究領域。這些高分子凝膠在藥物緩釋、仿生材料(動物的肌肉體系也是一個智能型聚合物凝膠體系,通過肌肉的收縮與舒張可以把化學能轉化為機械能)等領域具有許多潛在的應用價值。2.8沿磁場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,可保持超常的磁性,出現沿磁場方向伸縮的行為。由PVA、聚烯丙胺(PALA)等加工而成。墨西哥學者用稀土材料做成磁敏型收縮材料,聲稱可以達到用于人工假體肌肉的水平。其產力達167N,加速度達7×10-3m/s。收縮率為32%,正被開發成人工假肢材料。3人工肌肉和心臟肌肉的比較及其應用3.1有足夠的生物利用的環境,這既是一個生物在本文中,人工肌肉是作為直接輔助心臟的致動器用在人體內,它必須滿足以下幾點。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;第三,它要能對心臟進行擠壓,所以它的壓力必須比心臟肌肉的壓力大;第四,它對心臟的擠壓要明顯,所以必須有一個足夠大的應變;第五,它的負載做功能力、重復精度、壽命和效率也是很重要的性能指標。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行比較,如表1所示。作為一個直接心臟輔助的動作器,最重要的3個參數是應力、應變率及反映單位質量應力和應變率綜合作用的功率密度。從應力角度來看,表1中每種動作器的應力都大于心臟肌肉的應力。從應變的角度來看,形狀記憶合金、導電聚合物、液晶彈性體和聚合物凝膠可望滿足要求。應變率反映了動作器件的動作速度,比心臟肌肉反應動作慢很多的動作器使直接心臟輔助的許多正面作用變成負面作用。因此,比心臟肌肉反應慢很多的動作器將不予考慮。從應變率來看,形狀記憶合金、導電聚合物、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,是應力與應變率綜合作用的反映。所以這一指標遠小于心臟肌肉的動作器件,將很難對心臟提供輔助。從功率密度的指標來看:形狀記憶合金、導電聚合物、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足要求?？紤]到應變可以通過一定的機械結構設計得以放大,這里將應變率和功率密度作為選擇動作器件的必要條件。所以可同時滿足要求的動作器件有:形狀記憶合金、壓電陶瓷、壓電聚合物、導電聚合物。效率反映了能量輸出的大小,效率低的器件發熱嚴重?？紤]到表1中,壓電聚合物的效率過低,在目前的技術條件下,暫時不考慮壓電聚合物應用的可能。器件的循環次數反映了器件的壽命和可靠性,從表1來看,壓電陶瓷的壽命最接近心臟肌肉。從上面的分析可以看出,就目前的技術水平來看,在這些材料中,壓電陶瓷、導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。目前還沒有將人工肌肉成功應用于人工心臟的先例。但是,作為一種具有巨大潛力的致動器,人們正在向這方面努力。像日本的東北大學熱能傳導實驗室正在研究形狀記憶合金致動器,有望做成一種低驅動能、體積小和重量輕的心臟輔助裝置,并且東北大學的Yambe教授已經利用這種輔助心跳的人工心臟肌肉裝置,在羊身上進行動物實驗。我們相信,隨著越來越多的研究以及研究的逐步加深,人工肌肉的特性必會得到進一步的認識和改進,它們在直接人工心臟輔助中必會得到進一步的應用。4動器的應用前景本文選用了八種人工肌肉的材料,分別對它們的原理進行了闡述,并將它