據麥姆斯咨詢介紹，生物電子器件在人體醫療健康領域有著廣泛的應用，它為現代醫療健康護理系統帶來了新的希望。例如可穿戴生物傳感器和可植入設備的應用，不僅極大地提高了病人的生活質量，還大幅降低了其醫療費用。

人體外部產生的物理信號在臨床診斷上是極其寶貴的。然而，不同類型的生理活動所產生的壓力信號等級也是不同的。為了對整個人體有著完整的活動監測，生物傳感器急需有一個較寬的壓力探測范圍。

除了體外信號，體內生理病理信號對于疾病的診斷同樣重要。例如，心血管疾病是全球主要死亡原因之一。心臟的不規則跳動，會引起心律不齊進而導致猝死，因此，心臟監測對于預防心血管疾病至關重要。

對于可植入設備而言，耐久性、防水性和生物相容性是確保生物器件持續、安全運行最重要的因素。此外，重復手術對病人來說風險太大，更換可植入設備的電池可能會造成炎癥或不適。為了持續地監測心臟活動而不需要較大的能量消耗，急需開發一種自供電的可植入傳感器。

為了解決以上問題，美國加州大學洛杉磯分校生物工程系的陳俊團隊，基于磁彈效應制備了一款可拉伸的、寬壓力探測范圍的、自供電柔性生物傳感器。其探測范圍可達3.5Pa~2000kPa，最快效應速度為3ms，并且，通過將超彈性液體金屬納米纖維植入磁流變彈性體中，可實現440%的拉伸應變和超強的循環性能。相關研究成果以論文形式發表在《ACS Nano》中。

首先，如圖1所示，為獲得所需傳感材料，研究人員首先將粘性硅氧烷聚合物、固體磁性納米顆粒和微氣泡混合，制備得到擁有極高磁彈效應的柔性聚合物。隨后，通過脈沖磁場對復合物骨架里的納米磁子重新定向。為了增加材料的耐用性，在磁子外表面涂敷一層7nm的二氧化硅薄膜，以降低其磨損。通過Micro-CT圖像可以看出，納米磁子和微氣泡在材料中均勻分布，這一特性有利于降低材料模量，提高器件的柔軟程度和舒適性。研究過程中發現，通過控制磁子的濃度，可帶來不同的抗拉強度、斷裂應變和模量，最終影響其力學性能。而材料的磁場分布和磁感應強度則會對壓力大小產生影響。

圖1柔性聚合物的制備和磁彈效應

其次，為了探索和驗證傳感器各方面的性能，研究人員做了一系列測試研究。

為驗證其傳感可行性，研究人員基于磁彈效應和磁感應原理設計了一款超拉伸壓力傳感器。如圖2所示，采用熱拉法制備包覆醫用硅膠的聚乙烯醇纖維，然后將液態金屬纖維注射進醫用硅膠中空腔內，制備得到的液態金屬納米纖維具有良好的彈性和循環性。研究結果展示了該纖維的力學性能（抗拉強度和循環性能）。進一步的，還可將該纖維制成薄膜，通過圖中的micro-CT圖像可以看出，液態金屬微纖維以螺旋結構分散在柔性聚合物復合材料中，能夠敏感地捕捉軟薄膜內部的磁場變化。

圖2 基于磁彈效應的可拉伸傳感器性能表征

為測試其傳感器對不同生理活動信號的甄別，進行了如圖3所示的測試，測試結果說明了該生物傳感器對于不同種類的生理活動均有準確的監測與識別。

圖3 基于磁彈效應的可拉伸傳感器用于可穿戴生物監測

如圖4所示，為驗證其作為植入器件可能性和循環耐用性，首先通過細胞培養驗證了其無毒性和生物相容性，接著進行了彎曲疲勞測試，經過12000次的彎曲后，其輸出性能僅下降了1%，驗證了其循環耐用性。

圖4 基于磁彈效應的可拉伸傳感器用于可植入設備

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11350

審核編輯 ：李倩