复旦大学二维共轭材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Two Dimensional Conjugated Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University
斯坦福大学鲍哲楠团队开发可拉伸、全降解的植入式医疗传感器


第一作者:Clementine M. Boutry

通讯作者:Zhenan Bao, Paige Fox

第一单位:斯坦福大学(美国)

研究亮点:

极大地优化了植入式应变和压力医疗传感器的力学稳定性和可降解性等功能,使其集低迟滞、长期循环使用稳定性、长期使用寿命以及完全可降解性等优势于一体。

植入式医疗传感器件的一个重要用途在于,术后恢复阶段的精准、局域治疗和实时监测,有助于实现个性化定制的精准医疗。传统的植入器件无法生物降解,长期存在体内的器件,将损害生物体内周围组织或细胞,造成二次感染,甚至影响神经活动。如果通过手术取出植入器件,对人体造成二次伤害和新的安全风险。


图1. 硅基植入式电子器件

Suk-WonHwang, Hu Tao, Dae-Hyeong Kim, Fiorenzo G. Omenetto, John A. Rogers et al. APhysically Transient Form of Silicon Electronics. Science 2012, 337, 1640-1644.

因此,近年来新型可生物降解的植入式器件逐渐成为市场新宠,并已经在医疗领域发挥越来越多的作用。这种器件在完成术后辅助治疗和健康监测的使命后,可自动生物降解,被生物系统消化吸收,从而免除了二次手术的风险。

问题在于:市面上常规的可降解植入式电子传感器大多是以无机Si纳米膜覆盖于有机基底制造,这就造成了这类电子器件在长期拉伸变形之后的两大问题:

1)使用寿命不长

2)灵敏度失效,不具有可靠性。

有鉴于此,斯坦福大学鲍哲楠和Paige Fox团队合作,报道了一种基于纯聚合物制造的高度可拉伸、全部可降解的植入式应变和压力传感器,专门用于肌腱损伤修复期的力学行为监测。


图2. 可拉伸、全可降解的植入式应变和压力传感器

该器件中含有1个电容式应变传感器和1个电容式压力传感器。应变传感器中包括2个梳状电极,被54%的可拉伸橡胶以三明治方式隔离,用于响应应变行为。其中,可拉伸橡胶起到增强力学稳定性的作用。压力传感器中含有由PGS形成的微结构电介质,可用于响应压力导致的上下电极之间的距离变化。


图3. 长期循环稳定性和生物降解性

这种新型的植入式应变和压力传感器件具有以下优势:

1)通过两个垂直的独立传感器,可以实现对应变和压力的分别传感而不发生互相干扰;

2)对应变和压力的响应灵敏度分别低至0.4%和12 Pa。

3)这种器件响应非常快,达到毫秒级别。

4)优异的力学稳定性,满足足够次数的应变和压力循环测试。

5)基于小鼠实验,验证了其优异的生物兼容性和功能性。


图4. 生物兼容性

总之,这项研究为植入式电子器件在实时监测肌腱修复等医疗领域的进一步应用提供了全新的思路。

Clementine M. Boutry, Paige Fox , Zhenan Bao et al.A stretchable and biodegradable strainand pressure sensor for orthopaedic application. Nature Electronics 2018, 1, 314–321.

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