NUS李正国/纳米能源所李舟AFM：手术中用于体内血压监测的组织黏合压电软传感器

手术期间患者生命体征对医生了解病人状态十分重要。特别是血压监测在手术中起着关键作用，可以帮助医生及时调整治疗方案并降低手术风险。然而，传统的体内血压监测方法存在一些局限性，例如创伤性、不适应长时间监测以及在动态手术环境中的可靠性问题。

针对上述问题，新国立李正国教授联合中科院纳米能源所李舟研究员团队开发了一种植入式组织粘合压电软传感器(TPSS)。该传感器由两部分组成：具有组织粘附性的水凝胶和具有力-电转化功能的压电传感器。其中压电传感器将生物力学运动转换为电信号，而黏附水凝胶(AH)通过将传感器无缝地黏附在生物组织的湿润且不规则的生理表面来加强这种转换。与商用传感器相比，TPSS不会给生物体带来损伤。当TPSS完成作业后可以轻松的从血管上撕下来。此外，该传感器具有优异的机械柔韧性和耐久性，可适应手术过程中的各种动态环境。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials。

图文速递

图1. TPSS概述。(a) AH的设计过程、组成和结构。AH对生物组织和工程材料具有强粘附力，如皮肤(b)和金属(c)。粘附于皮肤。比例尺:1厘米。(d-e) TPSS 结构示意图。从左到右分别为：AH，PI，Ag电极，PVDF，Ag电极和PI。其中AH层用于将TPSS锚定在植入部位。(f-i) TPSS的光学图像。比例尺:1厘米。

图2. AH 的机械粘附性能。AH 的粘合能力通过三种方法进行评估：(a) 标准 180°剥离试验用来评估界面韧性。（b）标准剪切测试用来评估剪切强度。(c) 标准拉伸测试用来评估拉伸强度。比例尺: 1 厘米。(d) AH的附着原理。(e) AH的界面韧性、剪切强度和拉伸强度随MAPs含量的不同而变化。(f) AH与各种工程材料之间的界面韧性、剪切强度和拉伸强度。(g) AH与生物组织之间的界面韧性、剪切强度和拉伸强度。

图3. AH的机械性能和生物相容性。(a) AH的杨氏模量在25-80 kPa范围内，介于工程材料和生物组织之间。(b) AH的拉伸应变-应力曲线和杨氏模量曲线。(c) 最大拉伸变形固定在50%、100%、150%、200%、300%和400%时AH的加卸载拉伸应变-应力曲线。(d) 最大拉伸变形固定在400%时AH的10次加载-卸载拉伸应变-应力曲线。(e)在 0 至 60 °C 温度范围内AH的储能模量 (G') 和损耗模量 (G'')。(f-g) AH的生物相容性。

图4. TPSS 的体外电学输出性能。(a) TPSS的SEM和爆炸图显示其多层结构，层与层之间紧密接触。(b) TPSS 的工作原理。(c) TPSS 在不同弯曲应变下的开路电压Voc，短路电流Isc和短路电荷量Csc。(e) TPSS 的 Voc、Isc 和 Csc 随弯曲应变的不同而变化。(f) TPSS在不同频率下的Voc，弯曲应变固定在26.2%。(g) TPSS在阻抗匹配测试中的Voc和功率密度。(h) TPSS在26.2%弯曲应变下6000次弯曲恢复试验的性能稳定性。

图5. TPSS在体内的传感性能。(a) 体内实验测试系统示意图。(b) TPSS紧贴右侧颈内动脉表面。(c) 来自商用传感器的血压数据（上）和来自 TPSS 的相应输出信号（下）。(d) 动脉血压与TPSS输出电压的关系。(e) TPSS 的 Voc 可以灵敏地区分 ABP 的轻微上升或下降。(f) 电压峰值的整体上升趋势和下降趋势是由吸气和呼气运动引起的。

结论：本文提出了一种植入式组织粘附压电软传感器，证明了它们在监测体内术中生命指标方面的潜力。受贻贝粘附行为启发的AH，对常用工程材料和生物组织均具有较好的机械粘附性。结合其与生物组织相匹配的机械柔软性和杨氏模量、良好的生物相容性，AH在构建人机界面方面表现出应用潜力。TPSS表现出良好的体外输出性能，具有 8.3 V 的高输出、超过 6000 次循环的长期稳定性和 186.9 μW/m2的高功率密度。在大型动物实验中，TPSS 证明了其作为自供电压力传感器在手术中监测血压、心率和呼吸率的体内应用潜力。粘性水凝胶与自供电压力传感器的集成，实现了生物系统与植入式电子医疗器件之间的生物相容、无缝、高效的交互，也为下一代植入式生物电子器件提供参考。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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