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1、人工肌肉的类型、特性、在康复医学中的应用及其性能评估-->[摘要]在现有的人工肌肉研究中,尽管人工合成活性生物肌肉相当困难,但把肌肉的功能应用于技术中已经开始尝试。随着材料技术和数学理论结构模型的发展,人类已研制出不同材料与结构的人工肌肉,但对其特性和推广应用尚需进一步的研究。在不久的将来,人工肌肉在医疗器械、康复医疗、仿生、智能机器人、军用武器、航空航天等诸多领域必将发挥很大的作用。就目前已有的人工肌肉的类型、特性、在康复医学中的应用及其性能评估做一综述。[关键词]人工肌肉;康复医学;综述随着现代科技和工业技术的迅猛发展,出现
2、了一些新技术和新材料,为临床及康复医疗的发展提供了许多潜在的技术和材料储备。可收缩(致动)材料及结构模型是一种可望得到广泛应用的医学新材料和新技术,这种新材料和新技术就是人工肌肉。目前,国内外已有诸多学者致力于此项研究,并取得重大进展。但人工肌肉的特性与动物肌肉的特性相比还有相当大的差异。就人工肌肉的分类、工作原理、特性、研究现状及在康复医学中的应用情况进行综述。1人工肌肉的分类人工肌肉根据其材料结构和能量分为内在收缩式和外在收缩式[1]。内在收缩式人工肌肉是一种具有简单收缩功能的对周围环境有反应的化合物,按其发展历程分为“化学
3、机械能型(chemical-mechanical,CM)”和“电-化学机械能型(electrical-chemical-mechanical,ECM)”,前者是指由化学能直接转化为机械能的收缩材料;后者又分为两代,传导离子的聚合物为第一代,传导电子的为第二代[2]。外在收缩式人工肌肉目前有气动人工肌肉(pneumaticartificialmuscle,PAM)、液体驱动人工肌肉和磁性橡胶人工肌肉。2各种人工肌肉的工作原理、特性及其在康复医学中的应用2.1内在收缩式人工肌肉 目前开发出来的有内在收缩作用的致动材料按特点可分为以下
4、主要类型[3]:2.1.1pH响应型水凝胶(pH-responsivehydrogels) 该材料能在水中溶胀,随酸碱度的变化,纤维有可逆收缩和溶胀,并将化学能转化为机械能,对其的研究在少数发达国家已取得较大进展。pH响应型水凝胶长度变化约为80%,收缩响应时间不到2s,目前已用于直接心脏辅助装置的研究中。最近,Ismail等采用壳多糖经过一系列生化作用制成的新型生物材料———电驱动生物聚合体水凝胶/多聚阴离子集合体微纤维,在周围环境pH值变化或给予电刺激时,会产生化学或电化学式的驱动作用[4]。但由于掺进了多聚阴离子,与单纯的
5、生物聚合体在性能上具有质的区别,尚需进一步研究。2.1.2电化学型导电聚合物(electrochemicallyresponsivecon-ductingpolymer) 是聚合物表面经修饰后形成的结合型聚合物,在电化学氧化还原条件下,活动层压迫双层结构组合体使其弯曲,发生容积变化。这种材料弹性模量低,目前主要向微形化设备发展,在抽吸生物标本和注射药物等方面已有应用研究[5]。2.1.3电场反应型弹性体(electricfieldresponsiveelastomer) 为单轴向或双轴预应力膜材,收缩比为普通聚丙烯的215%,其
6、原理是利用麦克斯韦电场力的效应,收缩比、挤压力、反应时间等指标均超过天然肌肉,但应用电压高达千伏,有击穿生物体的可能。由于该材料只能制成薄膜形式,实际应用中要进行集成制作技术开发。近来出现的由丙烯酰胺和羧酸诱导剂合成的水凝胶,在中性条件下施加很低的电压(3V)即能发挥功能。其电驱动功能与水凝胶前体的溶解和聚合状态有关[6]。2.1.4电解相变型收缩材料(electrolyticphasetransformationactuators) 原型很简单,原理类似燃料电池,是在水分解时从液相变为气相的过程中,因体积变化产生位移和动能。该
7、材料的构成为电极和电解液,即水、硫酸、铂电极、隔膜和电池槽。采用这种机理的致动器膨胀比可以很大,需要进行新的技术处理将其控制到很小。目前尚无将这种燃料电池以聚合物的实物形式生产以制成人工肌肉成品的相关报道[7]。2.1.5场致电收缩型聚合物(fieldelectrostrictivepolymers) 有电致伸缩弛豫铁电聚合物(electrostrictiverelaxorferroelectricpolymers)和电致伸缩移植体聚合物(electrostrictivegraftelastomers)两种[3]。1998年,S
8、cience杂志曾刊登相关研究论文,该材料由25~40μm厚的偏二氟乙烯-三氟乙烯对半掺比的共聚物P(VDF-TrEE)薄膜制成,外被覆金电极膜,具有很高的能量密度,制作时使用电辐射加工。2.1.6液晶弹性体(liquidcrystalelastomers) 目
