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)域有著廣泛的應用，它為現(xiàn)代醫(yī)療健康護理系統(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)療費用。

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

除了體外信號，體內(nèi)生理病理信號對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，會引起心律不齊進而導致猝死，因此，心臟監(jiān)測對于預防心血管疾病至關(guān)重要。

對于可植入設(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)、安全運行最重要的因素。此外，重復手術(shù)對病人來說風險太大，更換可植入設(shè)備的電池可能會造成炎癥或不適。為了持續(xù)地監(jiān)測心臟活動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，美國加州大學洛杉磯分校生物工程系的陳俊團隊，基于磁彈效應制備了一款可拉伸的、寬壓力探測范圍的、自供電柔性生物傳感器。其探測范圍可達3.5Pa~2000kPa，最快效應速度為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，可實現(xiàn)440%的拉伸應變和超強的循環(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的柔性聚合物。隨后，通過脈沖磁場對復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度、斷裂應變和模量，最終影響其力學性能。而材料的磁場分布和磁感應強度則會對壓力大小產(chǎn)生影響。

圖1柔性聚合物的制備和磁彈效應

其次，為了探索和驗證傳感器各方面的性能，研究人員做了一系列測試研究。

為驗證其傳感可行性，研究人員基于磁彈效應和磁感應原理設(shè)計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性能（抗拉強度和循環(huán)性能）。進一步的，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合材料中，能夠敏感地捕捉軟薄膜內(nèi)部的磁場變化。

圖2 基于磁彈效應的可拉伸傳感器性能表征

為測試其傳感器對不同生理活動信號的甄別，進行了如圖3所示的測試，測試結(jié)果說明了該生物傳感器對于不同種類的生理活動均有準確的監(jiān)測與識別。

圖3 基于磁彈效應的可拉伸傳感器用于可穿戴生物監(jiān)測

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

圖4 基于磁彈效應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