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南开教授研获纯蚕丝人工肌肉 未来用于肌肉萎缩病人

近日,南开大学药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰教授团队,研获纯蚕丝人工肌肉,未来这种纯蚕丝人工肌肉可应用于肌肉萎缩、皮肤移植患者身上。此项成果公布后,随即引发关注。

人工肌肉模拟的是人类、动物的肌肉

新京报:什么是人工肌肉?

刘遵峰:人工肌肉是一种新型的材料,这种材料模拟的是人类、动物的肌肉,能够进行一定的运动。通过外界给人工肌肉一定的刺激,比如电、光、环境、温度变化,就能够使其发生伸长收缩、弯曲等运动。

新京报:人工肌肉的材质是什么?

刘遵峰:目前人工肌肉主要是由高分子材料和无机材料组成。高分子是一个大类,其包括的材料有很多,比如说形状记忆高分子,有一些记忆的高分子能把形状记忆住,从而使材料在外界刺激下恢复原来的形状。如果这些形状能够反复运动和使用,那么它就是一个很好的人工肌肉制作材料。

另一种主要材料是无机材料,比如形状记忆金属就可以用来制作人工肌肉,尤其是镍钛合金,这是一种很常见的人工肌肉制作材料。还有碳材料,它也是一种无机材料,像碳纳米管、纤维这些都可以做人工肌肉。

纯蚕丝人工肌肉主要用于智能织物上

新京报:纯蚕丝人工肌肉与普通人工肌肉有什么区别?

刘遵峰:此前,人工肌肉主要是应用到纳米碳材料、高分子材料(如鱼线)这些体系里,但这些材料都不适合穿着,或者很难对人体温度或湿度进行响应。纯蚕丝人工肌肉最大的不同就在于应用了蚕丝,可以直接对人体变化进行响应,未来我们也可以将这一材料直接应用到人体上。

中国的蚕丝有好几千年的历史,如今在世界上是一种非常重要的衣料。如果我们将普通的衣料做成智能的,它的价值就会大大增加。未来,这种新型智能衣料将会取代普通衣料,能根据外部环境实现运动和形状变化,包括收缩、伸长、旋转。

新京报:纯蚕丝人工肌肉可以应用于哪些领域?

刘遵峰:人工肌肉应用在机器人上会非常笨重,纯蚕丝人工肌肉的应用能使机器人质量更轻,更灵活,可以进行即时反应。纯蚕丝人工肌肉最主要应用于人体可穿着的智能织物上。我们在实验室用其材料制作的衣服,天热时人体出汗就会有湿气,这种衣料感受到水分后,衣服袖子会自动缩短,天冷能变成长袖。

新京报:什么时候可以投入市场?

刘遵峰:这个技术目前还是一个实验室技术,如何让纯蚕丝人工肌肉成为生产面料、衣料,这些具体的问题可能还需要和更专业的纺织企业合作完成。不过目前我们已经突破了最核心的技术,但还有一段路要走。

将来应用于肌肉萎缩等病人身上

新京报:纯蚕丝人工肌肉还有哪些拓展研究?

刘遵峰:我们的目标是将纯蚕丝人工肌肉技术继续进行拓展研究,将来应用于肌肉萎缩等病人身上,以其代替肌肉移植,并适应人体的环境,能够发生适当的收缩等运动,且产生一定的力,以达到人类肌肉的功能。“这一成果的应用,将会成为医学领域的一项重大突破。”

除此之外,纯蚕丝人工肌肉还可应用于航空航天、微型机器人、传感器、精密控制等多个领域。

新京报:耗时多久研发出纯蚕丝人工肌肉?

刘遵峰:这个课题我们从2016年6月开始进行,2018年12月基本完成,一共耗时两年半。我们是南开大学药物化学生物学国家重点实验室,这是一个交叉学科的平台,而我的教育背景是化学和材料,因此我们重点实验室就有很强的生物和医学背景,所以说接触了很多生物方面的相关材料和知识领域。

人工肌肉其中有一种很重要的是纤维人工肌肉,通过将这种纤维进行加捻,利用其膨胀可以产生运动。之前的人工肌肉很少使用天然材料,而我们在研究中发现,蚕丝和天然纤维都有很好的体积膨胀的效果。这种蚕丝的体积膨胀比较特殊,很好的一点就是它收缩速度特别快,蛋白质结构和晶体结构的变化都很特殊。基于这一发现,我们把蚕丝通过加捻技术做成一种纯蚕丝人工肌肉。

不想引入任何化学手段用于智能材料

新京报:研究期间都遇到过哪些困难?

刘遵峰:遇到的第一个难题就是我们不想引入任何化学手段。如果想把材料变成智能材料有很多种手段,添加一些添加剂、采用化学反应等,但化学物质对人体有伤害,我们研发初期一直在尝试怎么通过物理方式达到同样的效果。

另一个难点,主要是考虑如何让纯蚕丝人工肌肉的制作过程符合工业化流程。目前市场上蚕丝材料的加工和处理方式只是让材料结实、舒适、寿命长,并没有伸缩效果。我们实验室就开始研发如何制作出能伸缩的纯蚕丝人工肌肉,并使其变成工业化的标准,这期间做了大量详细的、工艺上的研发。

还有一个技术上的问题,使用加捻技术过程中,松开捻力之后能不能还有力。举个例子,我们给一根线加捻,但是捻完一松它就会松开,无法达到预期的伸缩效果。因此,在实验和研发过程中,我们通过热处理的方式将其固定住,攻克了这一难题。

新京报:实验室在研发和未来发展方面还有哪些计划?

刘遵峰:我们接下来的研究方向一个是继续开发新型材料,蚕丝只是我们的一个小小尝试,未来我们还会开发更多的新型材料;第二个是如何把新型材料应用到新型领域。另外,我们这段时间打算和一些企业和研究所进行合作,将纯蚕丝人工肌肉进行大规模投入市场的尝试。

先进制造领域是目前我们国家非常重视的科研和产业领域,这一领域必须通过多学科交叉才能完成,仅仅靠一个领域突破还远远不够。学科交叉共荣是一种趋势,目前我们和天津医科大学、中国药科大学都在进行合作,在医学药学等领域进行合作,互相发挥优势用途。

■ 话题焦点

据刘遵峰介绍,与普通人工肌肉相比,纯蚕丝人工肌肉最大的特点在于其应用了蚕丝,由于蚕丝具有很好的生物相容性,可以用到人体中。若使用这种材质制作衣服,其可通过感知环境温度、湿度实现自动伸缩,变长变短。

如果真正的纯蚕丝人工肌肉能够开发出来,应用到人体机器人、智能装备以及智能服装上,那么装备的整体质量就会变得非常轻巧。

专家观点

“真正植入人体,还有一些路要走”

南开大学药学院院长杨诚告诉新京报记者,纯蚕丝人工肌肉克服了人工肌肉原来使用高分子材料不适合穿戴,对体温、湿度不敏感的缺点。杨诚说,人工肌肉的相关研究在行业内一直是一个热门话题,未来前景十分广阔。

清华大学化学系副教授吉岩介绍,人工肌肉领域的研究目前正处于从研究转向应用的阶段。“目前,领域内专家对人工肌肉的研究主要分为两个方向,一是研究旧材料的性能如何提高、应用方向、如何投入应用,另一块是对可应用于人工肌肉的新材料进行探索和研究。”

吉岩表示,如今,人工肌肉研究的材料种类越来越多,刘遵峰教授研发的纯蚕丝人工肌肉是一个全新的材料应用。“目前人工肌肉很多材料都是通过医疗合成、化学合成方法得到的,而蚕丝与人体的相容性非常好,如果能作为一种植入人体的材料使用,在安全、环保等方面更有优势。”

“纯蚕丝人工肌肉将来能不能真正植入人体,成为人体的一部分,这一点目前还有一些路要走。”吉岩说道。

新京报记者 刘名洋 实习生 王佳珺

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