國(guó)外科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)監(jiān)測(cè)生物組織應(yīng)力的柔性纖維傳感器

植入式電子器械可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與患者健康相關(guān)的生理活動(dòng)，因而成為最具前景的醫(yī)療技術(shù)之一。過(guò)去十年來(lái)，盡管研究人員開(kāi)發(fā)了各種各樣的植入式器械，但是現(xiàn)有技術(shù)仍存在很多局限性，限制了它們?cè)谂R床環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。

阻礙現(xiàn)有植入式醫(yī)療器械大規(guī)模應(yīng)用的首要因素，是這些裝置與人體中大多數(shù)器官/組織之間的結(jié)構(gòu)不匹配，因?yàn)檫@些器官/組織通常具有復(fù)雜的一維或三維結(jié)構(gòu);另外，實(shí)踐已經(jīng)證明，將柔性電子器件可靠地固定在運(yùn)動(dòng)或跳動(dòng)的人體器官上仍極具挑戰(zhàn)。

韓國(guó)大邱慶博科學(xué)技術(shù)研究所(Daegu-Gyeongbuk Institute of Science & Technology, DGIST)和ETH Zürich的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種無(wú)線纖維應(yīng)力傳感器，可以克服現(xiàn)有植入式電子器件的局限性。這款無(wú)線纖維應(yīng)力傳感器由一個(gè)電容式纖維應(yīng)力傳感器和一個(gè)用于無(wú)線讀出的感應(yīng)線圈組成，該研究成果已發(fā)表于Nature Electronics。

“這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是克服現(xiàn)有植入電子器械在實(shí)際應(yīng)用中的局限性。”該項(xiàng)目研究人員之一Jaehong Lee表示，“為此，我們開(kāi)發(fā)了一種可縫合纖維制成的植入式無(wú)線應(yīng)力傳感器，顯著改善了現(xiàn)有平面型植入器械與器官/組織的結(jié)構(gòu)不匹配和固定問(wèn)題?！?/p>

Lee及其同事開(kāi)發(fā)的這款應(yīng)力傳感器由兩個(gè)導(dǎo)電纖維電極組成，電極位于空心的雙螺旋結(jié)構(gòu)中。當(dāng)對(duì)兩根纖維電極施加應(yīng)力時(shí)，它們會(huì)被拉伸從而改變傳感器的電容特性。

纖維應(yīng)力傳感器的工作機(jī)理

“我們可以無(wú)線測(cè)量傳感器電容的變化以監(jiān)測(cè)施加的應(yīng)力。”Lee解釋說(shuō)，“基于傳感器中的空心芯層，雙螺旋導(dǎo)電纖維可以在應(yīng)力下快速拉伸，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有電容式應(yīng)力傳感器更高的靈敏度。更重要的是，這款應(yīng)力傳感器可以基于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，直接縫合到目標(biāo)組織或器官上，從而提供長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定固定?！?/p>

研究人員通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)分析和模擬對(duì)這款植入式傳感器進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果證明這款器件的性能非常好。此外，其性能可以調(diào)制，或根據(jù)特定應(yīng)用需求進(jìn)行適配。

這款可縫合纖維應(yīng)力傳感器能夠克服現(xiàn)有植入式器械的主要實(shí)際限制，即結(jié)構(gòu)不匹配和穩(wěn)定固定。事實(shí)上，與過(guò)去開(kāi)發(fā)的其他解決方案相比，這種新器械可以直接縫合到目標(biāo)組織或器官上。

未來(lái)，這項(xiàng)最新研究將有助于開(kāi)發(fā)更有效、更可靠的植入式電子器械來(lái)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)特定的生物力學(xué)信號(hào)。例如，這種應(yīng)力傳感器可以用于監(jiān)測(cè)個(gè)性化康復(fù)矯形應(yīng)用，以及運(yùn)動(dòng)相關(guān)的生物力學(xué)信息。

“據(jù)我們所知，這是第一次展示了可縫合電子系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，我們相信這將是植入式電子器械臨床應(yīng)用的一大進(jìn)步。”Lee說(shuō)，“接下來(lái)，這種傳感系統(tǒng)將會(huì)是生物可吸收的，以避免在使用后需要第二次手術(shù)移除。因此，我們現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)完全生物可吸收的纖維應(yīng)力傳感器版本?！?/p>