據(jù)麥姆斯咨詢介紹，生物電子器件在人體醫(yī)療健康領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它為現(xiàn)代醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)帶來了新的希望。例如可穿戴生物傳感器和可植入設(shè)備的應(yīng)用，不僅極大地提高了病人的生活質(zhì)量，還大幅降低了其醫(yī)療費(fèi)用。

人體外部產(chǎn)生的物理信號(hào)在臨床診斷上是極其寶貴的。然而，不同類型的生理活動(dòng)所產(chǎn)生的壓力信號(hào)等級(jí)也是不同的。為了對(duì)整個(gè)人體有著完整的活動(dòng)監(jiān)測(cè)，生物傳感器急需有一個(gè)較寬的壓力探測(cè)范圍。

除了體外信號(hào)，體內(nèi)生理病理信號(hào)對(duì)于疾病的診斷同樣重要。例如，心血管疾病是全球主要死亡原因之一。心臟的不規(guī)則跳動(dòng)，會(huì)引起心律不齊進(jìn)而導(dǎo)致猝死，因此，心臟監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防心血管疾病至關(guān)重要。

對(duì)于可植入設(shè)備而言，耐久性、防水性和生物相容性是確保生物器件持續(xù)、安全運(yùn)行最重要的因素。此外，重復(fù)手術(shù)對(duì)病人來說風(fēng)險(xiǎn)太大，更換可植入設(shè)備的電池可能會(huì)造成炎癥或不適。為了持續(xù)地監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)而不需要較大的能量消耗，急需開發(fā)一種自供電的可植入傳感器。

為了解決以上問題，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系的陳俊團(tuán)隊(duì)，基于磁彈效應(yīng)制備了一款可拉伸的、寬壓力探測(cè)范圍的、自供電柔性生物傳感器。其探測(cè)范圍可達(dá)3.5Pa~2000kPa，最快效應(yīng)速度為3ms，并且，通過將超彈性液體金屬納米纖維植入磁流變彈性體中，可實(shí)現(xiàn)440%的拉伸應(yīng)變和超強(qiáng)的循環(huán)性能。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表在《ACS Nano》中。

首先，如圖1所示，為獲得所需傳感材料，研究人員首先將粘性硅氧烷聚合物、固體磁性納米顆粒和微氣泡混合，制備得到擁有極高磁彈效應(yīng)的柔性聚合物。隨后，通過脈沖磁場(chǎng)對(duì)復(fù)合物骨架里的納米磁子重新定向。為了增加材料的耐用性，在磁子外表面涂敷一層7nm的二氧化硅薄膜，以降低其磨損。通過Micro-CT圖像可以看出，納米磁子和微氣泡在材料中均勻分布，這一特性有利于降低材料模量，提高器件的柔軟程度和舒適性。研究過程中發(fā)現(xiàn)，通過控制磁子的濃度，可帶來不同的抗拉強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和模量，最終影響其力學(xué)性能。而材料的磁場(chǎng)分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度則會(huì)對(duì)壓力大小產(chǎn)生影響。

圖1柔性聚合物的制備和磁彈效應(yīng)

其次，為了探索和驗(yàn)證傳感器各方面的性能，研究人員做了一系列測(cè)試研究。

為驗(yàn)證其傳感可行性，研究人員基于磁彈效應(yīng)和磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一款超拉伸壓力傳感器。如圖2所示，采用熱拉法制備包覆醫(yī)用硅膠的聚乙烯醇纖維，然后將液態(tài)金屬纖維注射進(jìn)醫(yī)用硅膠中空腔內(nèi)，制備得到的液態(tài)金屬納米纖維具有良好的彈性和循環(huán)性。研究結(jié)果展示了該纖維的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度和循環(huán)性能）。進(jìn)一步的，還可將該纖維制成薄膜，通過圖中的micro-CT圖像可以看出，液態(tài)金屬微纖維以螺旋結(jié)構(gòu)分散在柔性聚合物復(fù)合材料中，能夠敏感地捕捉軟薄膜內(nèi)部的磁場(chǎng)變化。

圖2 基于磁彈效應(yīng)的可拉伸傳感器性能表征

為測(cè)試其傳感器對(duì)不同生理活動(dòng)信號(hào)的甄別，進(jìn)行了如圖3所示的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果說明了該生物傳感器對(duì)于不同種類的生理活動(dòng)均有準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與識(shí)別。

圖3 基于磁彈效應(yīng)的可拉伸傳感器用于可穿戴生物監(jiān)測(cè)

如圖4所示，為驗(yàn)證其作為植入器件可能性和循環(huán)耐用性，首先通過細(xì)胞培養(yǎng)驗(yàn)證了其無毒性和生物相容性，接著進(jìn)行了彎曲疲勞測(cè)試，經(jīng)過12000次的彎曲后，其輸出性能僅下降了1%，驗(yàn)證了其循環(huán)耐用性。

圖4 基于磁彈效應(yīng)的可拉伸傳感器用于可植入設(shè)備

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11350

審核編輯 ：李倩