人工心臟肌肉技術(shù)
摘要：心臟肌肉功能減弱或完全無法工作是危害人體生命健康的重大疾病。人工心臟肌肉有荷代壞死的目然心臟肌肉，恢復(fù)心臟功能的潛能。本文訓(xùn)論了拭于組織lll程和智能豐習(xí)料的性能及其與自然心臟肌肉的比較，重點(diǎn)介紹了在研制基于形狀記憶合金和離子聚合金屬合成物人工心臟肌肉方面，人們所作的努力。
關(guān)鍵詞：人工肌肉；形狀記憶合金；離子聚合金屬
O引言
當(dāng)心肌梗死發(fā)生時，冠狀動脈內(nèi)的凝塊阻止了心肌供血，導(dǎo)致了這個區(qū)域內(nèi)的心肌壞死。壞死的心肌失去收縮能力，剩余的心肌需要補(bǔ)償壞死的部分，但壞死部分卻能再生。心臟病和濾過性病毒所引起的疾病都能使心臟肌肉功能減弱和泵血量減少。但此時，心臟仍然有足夠的能量去維持牛命，只是不能在運(yùn)動的時候提供足夠的血輸出量。當(dāng)心臟肌肉的功能減弱或完全無法工作時，****的方法就是做心臟移植手術(shù)。但是全世界每年捐贈出來的自然心臟數(shù)目非常有限，很多患者都失去了生存的機(jī)會”。因此，人們直都希望能夠研究出能夠代替心臟功能的人心臟，或人工心臟肌肉替代壞死的心肌。
人工心臟是用機(jī)械或生物機(jī)械的手段部分或全部替代心臟的泵功能，維持傘身血液循環(huán)功能的治療方法，但是這種方法目前也存在有很多問題。第一，快速旋轉(zhuǎn)的葉輪會破壞紅細(xì)胞并會引起血栓；第二，為l『防止人體對血泵的排斥性，必須服用的人量抗凝的藥物，而這些藥物會降低人體的免疫性。為避免與血液接觸引起的生物兼容性問題，人們也一直在研究人工心臟肌肉。期望利用人工心臟肌肉裹在心臟外側(cè)替代心肌壞死部分，通過心臟按摩的辦法，幫助衰弱的心臟恢復(fù)功能。這種基于人工心臟肌肉的方法具有非常誘人的前景，是目前國際上研究熱點(diǎn)之，尤其是在組織工程方面。本文主要討論人心臟肌肉技術(shù)。
1人工心臟肌肉的原理和分類
人工心臟肌肉是一種跟自然心臟肌肉具有相似特性的人上材料，它和自然心臟肌肉一樣具有彈性和剛性，并能在外界的刺激，產(chǎn)生伸縮、彎曲等多種形式的力學(xué)州應(yīng)。根據(jù)材料制作方法的區(qū)別，人工心臟肌肉主要有兩類，一類是利用組織工程的方法制作人工心臟肌肉；另一類是利用智能材料對外界刺激的反應(yīng)。
1 1組織工程方法
組織工程是利用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理，將一體活細(xì)胞種植于支架l，自體細(xì)胞在支架E生長并產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)，逐漸對原來的支架進(jìn)行改建，最終形成人的心臟肌肉。圖l所示是密西根大學(xué)人工心臟實(shí)驗(yàn)章研制的人工心臟肌肉。這種人工心臟肌肉利用老鼠心臟細(xì)胞生長在血纖維凝膠h這眥細(xì)胞形成心肌組織后，血纖維脫落或降解。實(shí)驗(yàn)表明在在纖維凝膠布上層層上百萬的心肌細(xì)胞后，只要四天就可以收縮，產(chǎn)生的收縮力達(dá)80毫牛頓盡管收縮力和自然心臟的收縮…fi~，H．～kk然比較小，但這種基于組織工程的人工心臟肌肉增添了研制成功可實(shí)用人工心臟肌肉的信心。
1 2基于智能材料的人工心臟肌肉
除了組織工程的方法外，另一類是通過某些材料在外界能量作用，產(chǎn)生類似生物肌肉特幽1密西根大學(xué)人l_l心臟實(shí)驗(yàn)室研制的人上心臟肌肉性的～A T…H rl。t，~j材料p J。這些材料主要有：形狀記憶合金、導(dǎo)電聚合物、碳納米管、液品彈性體、聚合物凝膠、壓電材料和磁敏材料等。
由于人工心臟肌肉是直接作用在心臟的外表面上，替代梗死的心臟肌肉。岡此，有必要將主要的人lI_肌肉材料和心臟肌肉進(jìn)行性能比較，以確定哪些人工肌肉材料，有可以用作人工心臟肛肉材料的潛能。具體參數(shù)比較，如表l所示。
表1人工肌肉和人體心臟肌肉的特性比較
從表l可以看出，完全滿足自然心肌肌肉特性的人ll心臟肌肉材料，目前還不存在。但治圭心臟病，尤其是終末期的心臟病一直是人類的愿望。岡此，人工心臟肌肉的研究只能從某些方丌始，逐步尋求替代自然心臟肌肉的可能。
作為人T心臟肌肉，最重要的3個參數(shù)是應(yīng)力、應(yīng)變率及反映甲位質(zhì)量應(yīng)力和應(yīng)變率綜合用的功率密度。從應(yīng)力角度來看，表l中每種人工心臟肌肉的應(yīng)力，都大于自然心臟肌肉的應(yīng)力從應(yīng)變的角度來看，形狀記憶合金、導(dǎo)電聚合物、液晶彈性體和聚合物凝膠有滿足要求~．t4�！畉 Hj E：
應(yīng)變率反映了動作器件的動作速度，比心臟肌肉反應(yīng)動作慢很多的人工材料不能有效替代心臟心臟肌肉。岡此，比心臟肌肉反應(yīng)慢很多的r~j材料，將不予考慮。因此，從應(yīng)變率來看，形狀記阮合金、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足要求；功率密曳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)小于心臟肌肉的人工材料，將很難對心臟提供輔助。從功率度的指標(biāo)來看：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足要求。
考慮到應(yīng)變可以通過一定的機(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人工心臟肌肉材料的必要條件[6]。所以可同時滿足要求的人lll心臟肌肉材料有：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低，在目前的技術(shù)條件下，暫時不考慮壓電聚合物應(yīng)用的可能。另外，由于壓電陶瓷材料剛度較大，如果沒有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不能直接用作人工心臟肌肉材剩。 從上面的分析可以看出，在目前的條件l、，導(dǎo)電聚合物和形狀記憶合金是****有希望的人工心臟肌肉材料。
2人工心臟肌肉技術(shù)的探索
目前還沒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人工材料，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)室止在研究形狀記憶合金，有望能做成一種低驅(qū)動能、體積小和重量輕的人工心臟肌肉，并且日本YalTID(j教授已經(jīng)利用這種輔助心
跳的人工心臟肌肉，在羊身上進(jìn)行過動物實(shí)驗(yàn)∞。』。下面具體介紹兩種基于形狀記憶合金和離子聚合金屬合成物的人J一心臟肌肉。
21 1,~≥狀記憶合金致動人工心臟肌肉
形狀記憶合金是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另 種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上義可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶合金變形量人，如果加熱足夠快，變形速度也快。但是由于冷卻速度較慢，單獨(dú)使用形狀記憶合金作為人工心臟肌肉材料是困難的。利用珀耳帖元件在通電時，一端加熱，一端致冷。大學(xué)Shigena0Maru}ama等人將形狀記憶合金和珀耳帖7一"~4q一：(Pel一tier eleme-nts)結(jié)合在一起制成在心室輔助器件n如圖2所示，器件將被固定在右心室表面。當(dāng)給形狀記憶合金加電時，形狀…kTl&乙合金發(fā)生變性，協(xié)助右心室收縮；當(dāng)心臟舒張時，給珀耳帖元件加電，使形狀記憶合金致冷，形狀記憶合金勻速恢復(fù)到初始狀態(tài)。相關(guān)****研究進(jìn)展中f91，日本R．Ib~【ki等利用直徑， 250~{j瞇的形狀記憶合金細(xì)絲制作的人工心臟肌肉，如圖3
在圖3中，利用形狀和乙合金細(xì)絲的大電阻實(shí)現(xiàn)快速加熱，利用形狀記憶合金細(xì)絲較大的散熱面積，快速冷卻。據(jù)報道，面積：30mm50rrl的人工肌肉材料，在5N的載荷下，發(fā)牛彎曲變形和恢復(fù)原狀的周期達(dá)到每分鐘120次。盡管輸出力還有待提高，但這種人工心臟肌肉材料解決了形狀記憶合金反應(yīng)速度較慢的問題。
2．2離子聚合金屬合成物人上心臟肌肉
離子聚合金屬合成物(ioni(：poIvmet metalcompos_te)k稱為IPMc，是一種新型的智能材料，易于加]_，可以制作成大位移，低驅(qū)動電壓
N 3 Et~R Ibukl等制作的形狀記憶
合金人T心臟肌肉材料
(5v)的動作器。這種智能材料的基本機(jī)理是，當(dāng)電壓加在IPMc的電極上，在IPMc合成物的隔膜上就有電壓形成，鈉離子在靜電力的作用下從正極移向負(fù)極。當(dāng)合成物與水結(jié)合，水隨著離子運(yùn)動，造成隔膜一面收縮，另一面膨脹，于是隔膜彎曲。當(dāng)改變電壓的極性時，隔膜向相反方向彎曲。
圖4 Lj N IPMc電致動聚合物構(gòu)成手指形的人工心臟肌肉。圖4中象睫毛一樣的IPM(：電致動聚合物構(gòu)成壓力傳感器，監(jiān)測IPMc電致動聚合物人工心臟肌肉對心臟外表面的壓力。附著在IPMc電致動聚合物外表面的水，一方面為IPME：電致動聚合物提供合適的工作條件，同時也使IPMC b動聚合物產(chǎn)生的壓力柔性化，避免IPM(：器件11能對心臟肌肉的損傷。IPMc電致動聚合物只需要5v的驅(qū)動電壓，因此，可采用電池驅(qū)動，易于植入人體。但是這類IPMc驅(qū)動的人工心臟肌肉的輔助力較小(I一4mmH2)，在目前的條件，如果沒有新的技術(shù)突破，還不能達(dá)到應(yīng)用的要求。
4美國新墨西哥大學(xué)Mohsen Shahmp()(1r等研制的基丁IPMC A工心臟肌肉
3總結(jié)與展望
目前人工心臟肌肉的研究還處于起步階段，無論是利用組織工程方法，還是利用形狀記憶合金等智能材料制作的人T心臟肌肉的輸出力，都不能達(dá)到自然心臟的要求。因此，目前沒有能夠滿足自然心臟要求的人工心臟肌肉，更談小上將它應(yīng)用于臨床。但是隨著材料技術(shù)的發(fā)展和制造T藝的高，隨著對人體牛理的認(rèn)識，隨著研究的逐步加深，相信人T心臟肌肉的特性必會得至進(jìn)一步的改進(jìn)。在治愈心臟病方面早晚會起到作用
也許****的人工心臟肌肉可能是一種生物、化學(xué)類的動作器。它1i僅能模仿心臟的功能，更能模仿心臟的致動機(jī)理。也許合適的人工心臟肌肉材料的致動機(jī)理并不是一種，它可能是兩種或更多種方法。但是不管怎樣，探索與開發(fā)合適的人工心臟肌肉，仍然是一件艱巨且富有挑戰(zhàn)性的
任務(wù)，還有很多工作要做。
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