中科院纳米能源所王中林院士、董凯副研究员《ACS Nano》：用于自驱动可植入韧带应变监测的超可拉伸有机凝胶纤维传感器

2022-07-03 来源：高分子科技

具有实时医疗监测和辅助训练能力的植入式传感器对运动引起或疾病引起的肌肉和韧带损伤非常重要。然而，这些植入式传感器有一些缺点，如需要外部电源或灵活性和稳定性差。近期，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、董凯副研究员开发了一种基于摩擦纳米发电机的有机凝胶/硅纤维螺旋式传感器（OFS-TENG），用于无源和可缝合的植入式韧带应变监测。具有高稳定性和超拉伸性的OFS-TENG是由有机凝胶纤维和硅胶纤维以双螺旋结构交织而成的。有机凝胶纤维具有快速制备（15秒）、良好的透明度（>95%）、高拉伸性（600%）和良好的稳定性（超过6个月）等优点。OFS-TENG被成功植入兔子膝关节髌韧带上，用于实时监测膝关节韧带拉伸和肌肉应力，有望为肌肉和韧带损伤的实时诊断提供解决方案。所制备的自驱动OFS-TENG可以实时监测人类肌肉和韧带的数据。该工作以“Ultrastretchable Organogel/Silicone Fiber-Helical Sensors for Self-Powered Implantable Ligament Strain Monitoring”为题发表在《ACS Nano》上。

图1. 有机凝胶和OFS-TENG的表征。 (a) 制备有机凝胶所需的反应物。(b) 有机凝胶的电化学阻抗光谱。插入的照片是有机凝胶的导电性。(c) 有机凝胶在不同拉伸应变下的实时电阻变化。(d) 6个月后有机凝胶的溶剂保留性能。插入的照片比较了6个月后有机凝胶的导电性。(e) 六个月后有机凝胶的紫外-可见光透射光谱的比较。插图是6个月后有机凝胶的照片。(f) 有机凝胶在不同应变率下的拉伸应力-应变曲线。(g) OFS-TENG的拉伸曲线。箭头指示的部分是OFS-TENG内部的有机凝胶纤维的拉伸断裂部位。拉伸速率固定为50毫米/分钟。(h) OFS-TENG在25-150%的应变下的加载-卸载拉伸曲线。(i) OFS-TENG的杨氏模量和应变率之间的相关性。

图2. OFS-TENG的机理和性能。 (a) 示意图显示了双螺旋结构纤维在拉伸时的两种状态。(b) 双螺旋结构纤维在拉伸状态下的两种状态的显微图像，对应于图a中的纤维拉伸行为。OFS-TENG在拉伸（c）和压缩（d）模式下的工作机理。(e) 不同拉伸状态下传感器的输出比较。(f) OFS-TENG在50%的拉伸下的稳定性。(g) OFS-TENG在不同力负荷下的不同电压。(h) OFS-TENG在不同弯曲角度下的输出比较。(i) OFS-TENG在不同频率（0.5-3 Hz）下弯曲90°的输出。(i) OFS-TENG在180°的弯曲角度下的稳定性。

图3. OFS-TENG的生物相容性和体外演示实验。(a) 心肌细胞的荧光图像。比例尺：100 μm。(b) OFS-TENG7天的细胞存活率。(c) 照片为OFS-TENG放置在一块猪肉中。(d) 嵌入猪肉的OFS-TENG在不同频率反复弯曲和拉伸下的输出。(e) OFS-TENG在猪肉中不同植入深度下的输出对比。

图4. OFS-TENG在体内的应用演示。(a) 植入兔子体内传感器的应变监测数据采集和处理流程图。(b) 植入兔子膝盖髌骨韧带的OFS-TENG的照片和(c)缝合后的照片。(d) 植入兔腿内的OFS-TENG在不同频率（～0.4和1.5Hz）的弯曲和拉伸周期下的输出。(e) 植入兔腿内的OFS-TENG在不同弯曲角度的弯曲和拉伸周期下的输出比较。(f) 植入OFS-TENG 7天后的稳定性。植入兔子体内4周后的生物组织的H&E染色的 (g) 照片和 (h) 定量分析。植入兔子体内4周后的生物组织的照片 (i) 和免疫荧光分析的定量数据 (j)。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03365

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（责任编辑：xu）

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