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  材料與生物體之間的力學(xué)及電學(xué)性能的匹配是目前可植入器件研究中的一個重要問題，良好的匹配性可有效降低免疫反應(yīng)并起到良好的生物信號調(diào)節(jié)作用。針對此需求，上海科技大學(xué)凌盛杰課題組提出了一種濕法紡絲與后道工序機(jī)械訓(xùn)練相結(jié)合的方法，制備得到了力學(xué)性能與電學(xué)性能靈活可調(diào)的多級結(jié)構(gòu)海藻酸鈣纖維（AHIF），并設(shè)計出一種非接觸式電信號識別模型，可用于對植入器件的狀態(tài)監(jiān)測。

  動物絲和組織纖維等天然纖維中的高取向分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已被廣泛證明是其優(yōu)異力學(xué)性能的來源。以此為靈感，可通過拉伸的方式賦予高分子纖維類似的結(jié)構(gòu)。然而由于應(yīng)力松弛，拉伸過程中形成的高取向分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無法保留。為了保留高取向分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本研究采用了一種力學(xué)訓(xùn)練策略，即對紡絲制備的AHIF施加重復(fù)的機(jī)械載荷以觸發(fā)其分子網(wǎng)絡(luò)沿載荷方向重新取向。所制得的AHIF具有穩(wěn)定的分子網(wǎng)絡(luò)取向和宏觀取向的類天然纖維（如柞蠶絲等）的多級微纖結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 AHIF的制備方法（A-D）及其結(jié)構(gòu)（E）和形貌（F-H）

  本研究中所制備的AHIF具有良好的力學(xué)可調(diào)控性，其力學(xué)性能可通過控制機(jī)械訓(xùn)時間來調(diào)控。在力學(xué)訓(xùn)練過程中，實現(xiàn)了纖維模量從0.1 MPa~5 MPa范圍的調(diào)控。該模量數(shù)值范圍涵蓋一系列組織，如肺、肌肉和皮膚等，展現(xiàn)出與各種人體組織力學(xué)匹配的可行性。與含水量相當(dāng)?shù)暮Ｔ逅猁}水凝膠相比，機(jī)械訓(xùn)練所得到的AHIF在延展性和模量之間的平衡方面的也更具優(yōu)勢（圖2）。此外，所制備的AHIF具有良好的生物相容性，體現(xiàn)出可植入的潛力（圖3）。

圖2 AHIF的力學(xué)性能及與其它材料、生物組織的力學(xué)對比。

圖3 AHIF顯示出良好的生物相容性

  由于鈣離子和水的存在，AHIF具有良好的導(dǎo)電性，是一種離子導(dǎo)體材料，在外加磁場下可產(chǎn)生電信號。研究中設(shè)計了一種非接觸式的電信號發(fā)生器模型，其信號會根據(jù)AHIF的布局形式、幾何結(jié)構(gòu)及所受張力的變化而變化。通過機(jī)器學(xué)習(xí)對AHIF在不同狀態(tài)下所引發(fā)信號變化進(jìn)行學(xué)習(xí)，可對信號進(jìn)行準(zhǔn)確判定，從而實現(xiàn)對可植入的AHIF設(shè)備在生物體內(nèi)的狀態(tài)監(jiān)控（圖4）。

  綜上所述，本研究報告了一種力學(xué)性能可控的離子導(dǎo)體纖維，較寬力學(xué)性能調(diào)控范圍可實現(xiàn)其與不同生物組織器官的力學(xué)匹配。此外，AHIF良好的生物相容性與導(dǎo)電性。利用非接觸式可植入式電信號發(fā)生器原理，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式可進(jìn)一步實現(xiàn)對所植入的AHIF器件狀態(tài)的監(jiān)控。該設(shè)計模型在生物傳感器、智能感知及人機(jī)交互等領(lǐng)域具有一定的參考性及應(yīng)用潛力。

  全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00296E