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    東華大學武培怡教授團隊:自褶皺溫敏水凝膠-彈性體復合管用于血管仿生流體壓力傳感與控制
    2020-06-06  來源:高分子科技

      血管是人體循環系統的重要組成部分,通過血液向全身各組織輸送細胞、養分和氧氣等。人體具有血壓自動調節機制,利用頸動脈竇及主動脈弓上的壓力感受器感知實時血壓,并通過神經反饋調節血管肌肉層的收縮與舒張。此外,大量研究表明,由于受血管外壁限制生長導致力學失穩,血管內膜通常不是光滑的,而是形成大量的徑向褶皺。這些內褶皺不僅有利于增大養分吸收表面積并清理血栓,對人體血壓調節和流量控制也起著至關重要的作用。例如,內褶皺的存在使得肌肉層僅發生很小的尺寸變化就可以大幅減小血管的空腔面積,從而帶來高效的血液循環控制能力。盡管目前研究人員針對血管的功能和結構開展了大量的仿生材料研究工作,如何模仿真實血管的內褶皺結構并賦予其優異的流體壓力傳感與控制能力仍是一個巨大的挑戰。


      近日,受血管彈性層和肌肉層復合結構啟發,東華大學武培怡/孫勝童研究團隊制備了一種溫敏水凝膠-熱塑性彈性體復合管,對血管的內褶皺結構、流體壓力傳感和控制進行了有效仿生。水凝膠層由聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)、clay、MXene三者復合而成,表現出極好的力學拉伸性(斷裂伸長率~1300%)、溫敏和近紅外光熱特性。由于緊密粘合的水凝膠層在彈性體層限制下不對稱溶脹,自發形成了均勻的內褶皺結構。此外,水凝膠層的溫敏體積變化性質可有效控制該復合管空腔的尺寸及褶皺的出現與消失。


    圖1. 基于血管結構仿生的自褶皺溫敏水凝膠-彈性體復合管


      拉伸應變控制下,水凝膠層內褶皺逐漸展平,有效降低了流體阻力,表現為復合管流體壓差的迅速下降,且壓差變化隨循環拉伸具有很好的重復性。對復合管按壓也會導致內腔尺寸和褶皺形態變化,從而體現出靈敏的壓差刺激反饋能力。對比45 ℃下水凝膠層收縮狀態(褶皺展平)和光滑彈性體管對應變和按壓的壓差感應可知,水凝膠-彈性體復合管內褶皺的存在有效提高了流體壓差的感知靈敏度。


    圖2. PCMH@TPE復合管的流體壓差對不同應變和壓力的感知能力


      該復合管水凝膠層的溫度響應性和光熱效應也可通過可重復的壓差變化進行感知。溫度升高,水凝膠層收縮,管道尺寸增加,導致壓差減小,反之則壓差增加。這類似于人體血管對外界冷熱刺激或劇烈運動前后的變化情況。例如,人劇烈運動之后或置身于桑拿房中,血管迅速舒張從而增加血液流量,有助于及時排除體內熱量從而維持人體熱平衡。


    圖3. PCMH@TPE復合管的流體壓差對溫度和近紅外光照射的感知能力


      他們還通過冷熱水和近紅外光照射實驗進一步驗證了該水凝膠-彈性體復合管作為微流體閥對水流的控制能力。熱水或近紅外光照射可使水凝膠空腔打開,水流通過,而冷水或近紅外光關閉后水凝膠層溶脹,借助褶皺結構很容易實現空腔的完全閉合從而阻塞水流。


    圖4. PCMH@TPE復合管用作微流體閥可調節流體流量


      以上研究成果近期以“Dynamic Wrinkling of Hydrogel-Elastomer Hybrid Microtube Enables Blood Vessel-like Hydraulic Pressure Sensing and Flow Regulation”為題被《Materials Horizons》(DOI: 10.1039/D0MH00089B)接收。東華大學化學化工與生物工程學院碩士生文雪蓮為文章第一作者,孫勝童研究員武培怡教授為論文共同通訊作者。


      該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、重點項目、面上項目及上海市青年科技啟明星等項目的資助與支持。


      論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00089b#!divAbstract

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