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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(qū)動可植入韌帶應(yīng)變監(jiān)測的超可拉伸有機(jī)凝膠纖維傳感器
2022-07-03  來源：高分子科技

  具有實(shí)時醫(yī)療監(jiān)測和輔助訓(xùn)練能力的植入式傳感器對運(yùn)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(diǎn)，如需要外部電源或靈活性和穩(wěn)定性差。近期，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、董凱副研究員開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的有機(jī)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(yīng)變監(jiān)測。具有高穩(wěn)定性和超拉伸性的OFS-TENG是由有機(jī)凝膠纖維和硅膠纖維以雙螺旋結(jié)構(gòu)交織而成的。有機(jī)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(wěn)定性（超過6個月）等優(yōu)點(diǎn)。OFS-TENG被成功植入兔子膝關(guān)節(jié)髕韌帶上，用于實(shí)時監(jiān)測膝關(guān)節(jié)韌帶拉伸和肌肉應(yīng)力，有望為肌肉和韌帶損傷的實(shí)時診斷提供解決方案。所制備的自驅(qū)動OFS-TENG可以實(shí)時監(jiān)測人類肌肉和韌帶的數(shù)據(jù)。該工作以“Ultrastretchable Organogel/Silicone Fiber-Helical Sensors for Self-Powered Implantable Ligament Strain Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。



圖1. 有機(jī)凝膠和OFS-TENG的表征。 (a) 制備有機(jī)凝膠所需的反應(yīng)物。(b) 有機(jī)凝膠的電化學(xué)阻抗光譜。插入的照片是有機(jī)凝膠的導(dǎo)電性。(c) 有機(jī)凝膠在不同拉伸應(yīng)變下的實(shí)時電阻變化。(d) 6個月后有機(jī)凝膠的溶劑保留性能。插入的照片比較了6個月后有機(jī)凝膠的導(dǎo)電性。(e) 六個月后有機(jī)凝膠的紫外-可見光透射光譜的比較。插圖是6個月后有機(jī)凝膠的照片。(f) 有機(jī)凝膠在不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g) OFS-TENG的拉伸曲線。箭頭指示的部分是OFS-TENG內(nèi)部的有機(jī)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(yīng)變下的加載-卸載拉伸曲線。(i) OFS-TENG的楊氏模量和應(yīng)變率之間的相關(guān)性。 


圖2. OFS-TENG的機(jī)理和性能。 (a) 示意圖顯示了雙螺旋結(jié)構(gòu)纖維在拉伸時的兩種狀態(tài)。(b) 雙螺旋結(jié)構(gòu)纖維在拉伸狀態(tài)下的兩種狀態(tài)的顯微圖像，對應(yīng)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(jī)理。(e) 不同拉伸狀態(tài)下傳感器的輸出比較。(f) OFS-TENG在50%的拉伸下的穩(wěn)定性。(g) OFS-TENG在不同力負(fù)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(wěn)定性。


圖3. OFS-TENG的生物相容性和體外演示實(shí)驗(yàn)。(a) 心肌細(xì)胞的熒光圖像。比例尺：100 μm。(b) OFS-TENG7天的細(xì)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(fù)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(nèi)的應(yīng)用演示。(a) 植入兔子體內(nèi)傳感器的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(wěn)定性。植入兔子體內(nèi)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(nèi)4周后的生物組織的照片 (i) 和免疫熒光分析的定量數(shù)據(jù) (j)。


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

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