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中科院納米能源所王中林院士、董凱副研究員《ACS Nano》：用于自驅動可植入韌帶應變監測的超可拉伸有機凝膠纖維傳感器

2022-07-03 來源：高分子科技

具有實時醫療監測和輔助訓練能力的植入式傳感器對運動引起或疾病引起的肌肉和韌帶損傷非常重要。然而，這些植入式傳感器有一些缺點，如需要外部電源或靈活性和穩定性差。近期，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、董凱副研究員開發了一種基于摩擦納米發電機的有機凝膠/硅纖維螺旋式傳感器（OFS-TENG），用于無源和可縫合的植入式韌帶應變監測。具有高穩定性和超拉伸性的OFS-TENG是由有機凝膠纖維和硅膠纖維以雙螺旋結構交織而成的。有機凝膠纖維具有快速制備（15秒）、良好的透明度（>95%）、高拉伸性（600%）和良好的穩定性（超過6個月）等優點。OFS-TENG被成功植入兔子膝關節髕韌帶上，用于實時監測膝關節韌帶拉伸和肌肉應力，有望為肌肉和韌帶損傷的實時診斷提供解決方案。所制備的自驅動OFS-TENG可以實時監測人類肌肉和韌帶的數據。該工作以“Ultrastretchable Organogel/Silicone Fiber-Helical Sensors for Self-Powered Implantable Ligament Strain Monitoring”為題發表在《ACS Nano》上。

圖1. 有機凝膠和OFS-TENG的表征。 (a) 制備有機凝膠所需的反應物。(b) 有機凝膠的電化學阻抗光譜。插入的照片是有機凝膠的導電性。(c) 有機凝膠在不同拉伸應變下的實時電阻變化。(d) 6個月后有機凝膠的溶劑保留性能。插入的照片比較了6個月后有機凝膠的導電性。(e) 六個月后有機凝膠的紫外-可見光透射光譜的比較。插圖是6個月后有機凝膠的照片。(f) 有機凝膠在不同應變率下的拉伸應力-應變曲線。(g) OFS-TENG的拉伸曲線。箭頭指示的部分是OFS-TENG內部的有機凝膠纖維的拉伸斷裂部位。拉伸速率固定為50毫米/分鐘。(h) OFS-TENG在25-150%的應變下的加載-卸載拉伸曲線。(i) OFS-TENG的楊氏模量和應變率之間的相關性。

圖2. OFS-TENG的機理和性能。 (a) 示意圖顯示了雙螺旋結構纖維在拉伸時的兩種狀態。(b) 雙螺旋結構纖維在拉伸狀態下的兩種狀態的顯微圖像，對應于圖a中的纖維拉伸行為。OFS-TENG在拉伸（c）和壓縮（d）模式下的工作機理。(e) 不同拉伸狀態下傳感器的輸出比較。(f) OFS-TENG在50%的拉伸下的穩定性。(g) OFS-TENG在不同力負荷下的不同電壓。(h) OFS-TENG在不同彎曲角度下的輸出比較。(i) OFS-TENG在不同頻率（0.5-3 Hz）下彎曲90°的輸出。(i) OFS-TENG在180°的彎曲角度下的穩定性。

圖3. OFS-TENG的生物相容性和體外演示實驗。(a) 心肌細胞的熒光圖像。比例尺：100 μm。(b) OFS-TENG7天的細胞存活率。(c) 照片為OFS-TENG放置在一塊豬肉中。(d) 嵌入豬肉的OFS-TENG在不同頻率反復彎曲和拉伸下的輸出。(e) OFS-TENG在豬肉中不同植入深度下的輸出對比。

圖4. OFS-TENG在體內的應用演示。(a) 植入兔子體內傳感器的應變監測數據采集和處理流程圖。(b) 植入兔子膝蓋髕骨韌帶的OFS-TENG的照片和(c)縫合后的照片。(d) 植入兔腿內的OFS-TENG在不同頻率（～0.4和1.5Hz）的彎曲和拉伸周期下的輸出。(e) 植入兔腿內的OFS-TENG在不同彎曲角度的彎曲和拉伸周期下的輸出比較。(f) 植入OFS-TENG 7天后的穩定性。植入兔子體內4周后的生物組織的H&E染色的 (g) 照片和 (h) 定量分析。植入兔子體內4周后的生物組織的照片 (i) 和免疫熒光分析的定量數據 (j)。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03365

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（責任編輯：xu）

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