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  血管是人體循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，通過血液向全身各組織輸送細(xì)胞、養(yǎng)分和氧氣等。人體具有血壓自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，利用頸動(dòng)脈竇及主動(dòng)脈弓上的壓力感受器感知實(shí)時(shí)血壓，并通過神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)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(dǎo)致力學(xué)失穩(wěn)，血管內(nèi)膜通常不是光滑的，而是形成大量的徑向褶皺。這些內(nèi)褶皺不僅有利于增大養(yǎng)分吸收表面積并清理血栓，對(duì)人體血壓調(diào)節(jié)和流量控制也起著至關(guān)重要的作用。例如，內(nèi)褶皺的存在使得肌肉層僅發(fā)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(huán)控制能力。盡管目前研究人員針對(duì)血管的功能和結(jié)構(gòu)開展了大量的仿生材料研究工作，如何模仿真實(shí)血管的內(nèi)褶皺結(jié)構(gòu)并賦予其優(yōu)異的流體壓力傳感與控制能力仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  近日，受血管彈性層和肌肉層復(fù)合結(jié)構(gòu)啟發(fā)，東華大學(xué)武培怡/孫勝童研究團(tuán)隊(duì)制備了一種溫敏水凝膠-熱塑性彈性體復(fù)合管，對(duì)血管的內(nèi)褶皺結(jié)構(gòu)、流體壓力傳感和控制進(jìn)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(fù)合而成，表現(xiàn)出極好的力學(xué)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(duì)稱溶脹，自發(fā)形成了均勻的內(nèi)褶皺結(jié)構(gòu)。此外，水凝膠層的溫敏體積變化性質(zhì)可有效控制該復(fù)合管空腔的尺寸及褶皺的出現(xiàn)與消失。

圖1. 基于血管結(jié)構(gòu)仿生的自褶皺溫敏水凝膠-彈性體復(fù)合管

  拉伸應(yīng)變控制下，水凝膠層內(nèi)褶皺逐漸展平，有效降低了流體阻力，表現(xiàn)為復(fù)合管流體壓差的迅速下降，且壓差變化隨循環(huán)拉伸具有很好的重復(fù)性。對(duì)復(fù)合管按壓也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔尺寸和褶皺形態(tài)變化，從而體現(xiàn)出靈敏的壓差刺激反饋能力。對(duì)比45 ℃下水凝膠層收縮狀態(tài)（褶皺展平）和光滑彈性體管對(duì)應(yīng)變和按壓的壓差感應(yīng)可知，水凝膠-彈性體復(fù)合管內(nèi)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(fù)合管的流體壓差對(duì)不同應(yīng)變和壓力的感知能力

  該復(fù)合管水凝膠層的溫度響應(yīng)性和光熱效應(yīng)也可通過可重復(fù)的壓差變化進(jìn)行感知。溫度升高，水凝膠層收縮，管道尺寸增加，導(dǎo)致壓差減小，反之則壓差增加。這類似于人體血管對(duì)外界冷熱刺激或劇烈運(yùn)動(dòng)前后的變化情況。例如，人劇烈運(yùn)動(dòng)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(shí)排除體內(nèi)熱量從而維持人體熱平衡。

圖3. PCMH@TPE復(fù)合管的流體壓差對(duì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該水凝膠-彈性體復(fù)合管作為微流體閥對(duì)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(guān)閉后水凝膠層溶脹，借助褶皺結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)空腔的完全閉合從而阻塞水流。

圖4. PCMH@TPE復(fù)合管用作微流體閥可調(diào)節(jié)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(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院碩士生文雪蓮為文章第一作者，孫勝童研究員和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(xué)基金重大項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目及上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目的資助與支持。

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