东华大学武培怡教授团队：自褶皱温敏水凝胶-弹性体复合管用于血管仿生流体压力传感与控制

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血管是人体循环系统的重要组成部分，通过血液向全身各组织输送细胞、养分和氧气等。人体具有血压自动调节机制，利用颈动脉窦及主动脉弓上的压力感受器感知实时血压，并通过神经反馈调节血管肌肉层的收缩与舒张。此外，大量研究表明，由于受血管外壁限制生长导致力学失稳，血管内膜通常不是光滑的，而是形成大量的径向褶皱。这些内褶皱不仅有利于增大养分吸收表面积并清理血栓，对人体血压调节和流量控制也起着至关重要的作用。例如，内褶皱的存在使得肌肉层仅发生很小的尺寸变化就可以大幅减小血管的空腔面积，从而带来高效的血液循环控制能力。尽管目前研究人员针对血管的功能和结构开展了大量的仿生材料研究工作，如何模仿真实血管的内褶皱结构并赋予其优异的流体压力传感与控制能力仍是一个巨大的挑战。

近日，受血管弹性层和肌肉层复合结构启发，东华大学武培怡/孙胜童研究团队制备了一种温敏水凝胶-热塑性弹性体复合管，对血管的内褶皱结构、流体压力传感和控制进行了有效仿生。水凝胶层由聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)、clay、MXene三者复合而成，表现出极好的力学拉伸性（断裂伸长率~1300%）、温敏和近红外光热特性。由于紧密粘合的水凝胶层在弹性体层限制下不对称溶胀，自发形成了均匀的内褶皱结构。此外，水凝胶层的温敏体积变化性质可有效控制该复合管空腔的尺寸及褶皱的出现与消失。

图1. 基于血管结构仿生的自褶皱温敏水凝胶-弹性体复合管

拉伸应变控制下，水凝胶层内褶皱逐渐展平，有效降低了流体阻力，表现为复合管流体压差的迅速下降，且压差变化随循环拉伸具有很好的重复性。对复合管按压也会导致内腔尺寸和褶皱形态变化，从而体现出灵敏的压差刺激反馈能力。对比45 ℃下水凝胶层收缩状态（褶皱展平）和光滑弹性体管对应变和按压的压差感应可知，水凝胶-弹性体复合管内褶皱的存在有效提高了流体压差的感知灵敏度。

图2. PCMH@TPE复合管的流体压差对不同应变和压力的感知能力

该复合管水凝胶层的温度响应性和光热效应也可通过可重复的压差变化进行感知。温度升高，水凝胶层收缩，管道尺寸增加，导致压差减小，反之则压差增加。这类似于人体血管对外界冷热刺激或剧烈运动前后的变化情况。例如，人剧烈运动之后或置身于桑拿房中，血管迅速舒张从而增加血液流量，有助于及时排除体内热量从而维持人体热平衡。

图3. PCMH@TPE复合管的流体压差对温度和近红外光照射的感知能力

他们还通过冷热水和近红外光照射实验进一步验证了该水凝胶-弹性体复合管作为微流体阀对水流的控制能力。热水或近红外光照射可使水凝胶空腔打开，水流通过，而冷水或近红外光关闭后水凝胶层溶胀，借助褶皱结构很容易实现空腔的完全闭合从而阻塞水流。

图4. PCMH@TPE复合管用作微流体阀可调节流体流量

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”为题被《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/D0MH00089B）接收。东华大学化学化工与生物工程学院硕士生文雪莲为文章第一作者，孙胜童研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、重点项目、面上项目及上海市青年科技启明星等项目的资助与支持。

论文链接：

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

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