PDF《吕珊珊——未来三年研究计划》

吕珊珊――未来三年研究计划

一、主要研究方向和思路: 从单分子水平自下而上的设计模仿天然肌肉的生物材料.

运动或疾病常常会 导致各种各样的如肌肉拉伤、 断裂等组织功能障碍甚至功能丧失.这些问题往往 会影响到人类的日常活动, 某些严重的损伤,如心脏衰竭等甚至还会威胁到人类 生命.以心脏病为例:全球每年心脏病晚期患者有

30 万,预计未来三年大约有

60 万人需要更换心脏瓣膜.但是心脏修复和移植的替代物来源却非常有限,供 体器官远远不能满足器官总需求. 在美国, 每年有

5 万多人需要作心脏移植手术, 但是可用的心脏才

2000 多个,这意味着每年有近

5 万人因为没有可供移植的心 脏而死去. 我国也有大量的心脏病病人都因缺乏心脏移植物来源的问题,面临着 死亡.随着老龄化进程的发展,这种情况也进一步加剧.由于修复和移植替代物 的来源短缺, 关于可用于肌肉组织修复和替换的材料的研究有着很大的市场与科 研需求.[2015-2020 中国生物材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告] 科学家们已经进行了几十年的研究与探索, 尝试通过人工合成能够模仿天然 肌肉的生物材料来解决来源短缺的问题. 这类人工合成的材料能够模仿肌肉必须 具备两个重要条件. 一是这类材料必须具有类似肌肉的机械性能,这其中包括主 动弹性性能和被动弹性性能两部分. 二是这类材料既能储存大量能量又能保持自 身活性,在数千次收缩或伸长时仍具有良好的性能.[Schenk, D.J., Mechanics of Muscle. 1992, New York and London: New York University Press.]现在已有多种材 料被报道用于人造肌肉的研究,这些材料包括塑料、类似橡胶的聚合物、凝胶以 及金属等[Shahinpoor, M., Smart Mater. Struct., 1992: 91-94.] [H LL, P JM, Science. 2002. (5557): 1014-1017.] [Ramaratnam, A., Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2006. 17(3): 199-208.] [Zang, J., et al., Nat Mater, 2013. 12(4): 321-325.]. 考虑到天然肌肉组织是一种由约 80%组分的水溶液和 20%左右的蛋白质构 成的弹性材料,研究者们将聚合物凝胶材料作为这类材料的研究重点.目前,仿 肌肉聚合物凝胶材料的研究, 主要通过环境的刺激来诱导聚合物的构象发生变化, 导致高分子聚合物凝胶的宏观形状与体积发生变化,从而产生力的效果,以达到 模仿肌肉相关性能的目的.Kuhn, Hargittai 和Katchalsky 最先发现了一些溶胀聚 合物可以通过化学作用像肌肉一样收缩[Kuhn, W., et al., Nature, 1950: 165.]. 自从 他们的开创性发现之后, 多种聚合物凝胶都已经被合成出来用于模仿肌肉.特别 是一些能够模拟响应物理或化学刺激(包括溶液浓度、溶剂、pH 值、电场和磁场 的改变等)导致肌肉收缩这一特性的聚合物凝胶更是备受关注.[Osada, Y., Advances in Polymer Science, 1987. 82(1).][De Rossi., et al., Polymer Gels Fundamentals and Biomedical Applications. 1991, New York: Plenum Press.] 溶剂敏感的凝胶,是一种能够响应溶剂变化的凝胶.在Caldwell 等人的关 于聚丙烯腈/聚乙烯醇人造肌肉的合成的研究中,他们先将凝胶纤维平行排列组 成条状纤维束并放置在一个容器内, 让容器中丙酮溶液和氯化钠盐溶液交替循环 流动, 从而使得纤维束交替膨胀和收缩.纤维束产生的力及其收缩速度可以通过 调节纤维束的厚度来控制与优化,以达到接近天然肌肉的效果.[Caldwell, D.G., N. Tsagarakis, and G.A. Medrano-Cerda, Mechatronics, 2000. 10: 499-530.] 在此基 础上,Brock 等人研制了 pH 敏感的聚丙烯腈凝胶纤维.[Brock, D., et al., Journal of Intelligent Materials and Structures,1994. 5(6): 764-771.] Shahinpoo 等人则进一 步研究了聚丙烯腈纤维的可逆伸缩.他们利用 pH 值变化引起的凝胶表面亲水疏 水性的变化, 通过提高碱浓度纤维伸长,提高酸浓度纤维则缩短来实现纤维的可 逆收缩.他们还发现即使重复