Nature Electronics重磅：超灵敏, 可缝合的植入式电子设备

植入式电子设备可以对人体生理信息进行动态、连续以及实时的监控，从而在医疗应用上具有广阔的应用前景。目前，科学家们已经开发出用于连续监测生物力学信号的植入式应变传感器。该传感器可用于整形外科，对人体软组织损伤后的个性化治疗和康复具有至关重要的作用。但是，在将这些可植入电子设备投入临床实践之前，需要解决下面三个关键的挑战：

1. 现有的可植入电子设备大多为二维平面结构，难以应用于通常为一维或三维复杂结构的体内大多数器官和组织；

2. 将柔软的电子设备植入运动或搏动的器官具有挑战性。虽然大多数平面可植入传感器可以缝合在目标组织或器官上，以进行长期监测，但是在临床情况下缝合柔软的可植入传感器的效率不高，并且可能会损坏植入的传感器；

3. 虽然已经开发出可无线读出的植入式电子设备，但是仍然很难将无线读出与应变感测应用相结合。尽管电容应变传感器可以测量电阻-电感-电容器（RLC）系统的谐振频率的变化，但是由于拉伸电子组件中电阻的增加，在拉伸应变下很难保持高质量系数（Q）。此外，对于韧带等活跃部位的应用，需要大约10%的高应变敏感性，这进一步带来了挑战。

虽然目前科学家已经开发出一维纤维传感器来克服二维可植入传感器的限制，但是迄今为止尚未开发出满足临床实践所需的生物力学纤维传感器。

成果介绍

为了应对上述挑战，苏黎世联邦理工学院生物医学工程研究所Janos Vörös和韩国大邱庆北科技大学Jaehong Lee等人报告了一种可用于骨科生物医学应用中的无线可缝合纤维应变传感系统。纤维应变传感器由具有双螺旋结构的两根可拉伸的导电纤维和一个空芯组成。制成的光纤应变传感器表现出约12的卓越灵敏度，比现有的平面电容应变传感器高出约4倍！值得注意的是，可以通过增加一个感应线圈来无线操作光纤传感器，而无需任何焊接连接。此外，该纤维应变传感器可用于无线监测离体和体内猪腿在运动过程中跟腱的生物力学应变。

与以前报道的植入式传感技术相比，该无线光纤应变传感系统具有许多优势：首先，由于其一维纤维状结构，无线光纤应变传感器比现有的平面可植入电子设备更适用于具有复杂结构的各种组织和器官；其次，该装置可以直接缝合到目标器官上，从而简化了手术过程；最后，该系统不需要任何焊接，可以通过增加一个感应线圈来无线操作光纤传感器，打破了可拉伸电子设备的应用瓶颈。

上述成果以“Stretchable and suturable fibre sensors for wireless monitoring of connective tissue strain”为题，发表在国际著名期刊Nature Electronics上。

Part 1. 电容式光纤应变传感器的设计

基于Ag纳米粒子和弹性聚氨酯纤维复合材料，作者设计了一种具有高导电性和可拉伸纤维的无线纤维应变传感系统。无源无线光纤应变传感系统包含一个无线RLC谐振电路（图1a），由电容性光纤应变传感器的电容器（C）和由通过传输线（R）直接连接到导电纤维的天线线圈的电感器（L）组成。其中，两条可拉伸导电纤维呈中空双螺旋结构，表面含有约32.2±13.2μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘涂层，以确保两根纤维之间不会短路（图1b）。所制备的光纤应变传感器在拉伸和未拉伸状态下均具有3 匝 cm^-1的双螺旋结构（图1c），中空芯的直径为500μm。由于双螺旋结构中的两条导电纤维被光纤传感器中的中空芯相互隔开，因此可以通过两条导电纤维形成电容应变传感器作为两个电极，空心电极用作电容器的可变形介电层(图1d-e)。

该无线应变传感系统的主要优点是，仅使用一根导电纤维即可轻松制造整个系统。由于电容式光纤应变传感器，感应线圈和传输线之间的传输线均由单根导电纤维构成，因此可以实现无线系统而无需任何焊接点，从而消除了可伸缩电子设备的常见局限性之一。此外，无线应变感应系统的设计允许通过调整系统中传输线的长度，线圈中的直径和匝数以及电容部分的特性，在植入的位置和几何形状方面提供了出色的灵活性。

图1. 无线光纤应变传感系统的设计

Part 2. 电容式光纤应变传感器的工作机制

研究发现，电容式光纤应变传感器表现出两种不同的拉伸应变模式：低于（模式1）和高于（模式2）临界应变（约30%）的应变感应。

模式1：在未拉伸的光纤传感器上施加拉伸应变时，传感器中的两条双螺旋导电纤维逐渐伸直并彼此靠近，从而增加了两条导电纤维之间的电容（图2a(ii), 2b(ii)）。因为两条导电纤维仅由纤维传感器中的中空芯分开，所以双螺旋导电纤维可以很容易地拉直，而不会受到两条纤维之间的芯材料的任何机械限制。

模式2：随着光纤传感器的继续拉伸，两条双螺旋导电纤维在拉伸应变临界点处完全拉直，从而形成了两条导电纤维的扭曲结构（图2a(iii), 2b(iii)）；如果进一步拉伸光纤传感器，则两条扭曲的导电纤维会根据所施加的应变进行本征拉伸，如图2a（iv）所示。

根据两种不同的拉伸模式，光纤传感器的电容响应也表现出不同的行为。在模式1中，传感器的拉伸机制主要取决于两个双螺旋导电纤维的拉直程度，因此其电容响应呈现非线性行为。通过数学计算和仿真分析，光纤传感器表现出较低敏感度的初始应变范围（0-15%）和较高敏感度的应变范围（15–27.5%）（图2c）。由于在可植入应变传感器的实际应用中，大多数器官或组织没有被大量拉伸，因此需要在相对较小的应变范围（约10%）上具有高灵敏度。因此，在实际应用中，作者将模式1的高敏感应变范围（15–27.5%）认定为人们所关注的工作模式，并将感测应变范围内的灵敏度定义为传感器的主要灵敏度（图2c）。结果发现，在15–27.5%的感测应变范围内，光纤应变传感器实现了大约12的主灵敏度，比之前报道的电容应变传感器的高得多。

图2. 光纤应变传感器的工作机制

Part 3. 光纤应变传感器的性能表征

进一步研究发现，纤维应变传感器的性能可以通过调节传感器中的导电纤维的双螺旋结构调控。结果表明，随着结构中螺旋线匝密度的提高，传感器的主灵敏度降低，其可操作拉伸性提高（图3b）。此外，还可以通过调节传感器中的中空芯的初始直径来调整光纤传感器的可操作拉伸性（图3d）。

由于其高灵敏度，该传感器可以成功检测出微小的施加应变。以3匝cm^-1的双螺旋密度和500μm的中空直径制造的光纤应变传感器可抵抗低至0.1%的微小外加应变；将其用于实际的应变传感应用中时，该传感器测得的微小拉伸应变为0.05%，表现出的均方根噪声约为0.000068，达到了0.001%的应变检测下限。

同时，作者还研究了光纤应变传感器的稳定性和耐用性。在应变为50%的单个预拉伸循环之后，连续拉伸释放循环，光纤应变传感器的电容响应出现可忽略的滞后现象（图3f），这表明预拉伸的光纤传感器具有很高的稳定性。

而且，在对传感器施加50%的预应变后，光纤应变传感器对5%，10%，20%和30%的各种重复拉伸应变表现出稳定且明显可分辨的响应（图3h）。在10%应变条件下，光纤应变传感器经过2000次密集测试之后仍然表现出稳定的电容响应，而没有任何明显的下降，这证明了光纤传感器的高耐用性（图3i-j）。此外，即使完全浸入未稀释的磷酸盐缓冲盐水（1×PBS）中，光纤传感器的电容响应也可以在几周内保持稳定，这表明该传感器在生理介质中具有很高的稳定性。

图3. 光纤应变传感器的性能

Part 4. 无线光纤应变传感器的生物体外和体内演示

最后，作者选择通过监测猪腿运动过程中韧带和肌腱组织上产生的生理应变来展示无线光纤应变传感器的性能。通过光纤应变传感器直接缝合到新鲜离体猪后腿的跟腱上，作者可以在猪腿弯曲和伸展过程中连续实时地监测无线系统的共振频率。当猪腿弯曲时，跟腱和缝合在其上的纤维应变传感器会拉伸，导致纤维传感器的电容增加，使得系统的共振频率降低，从而可以在运动过程中无线监控跟腱的拉伸应变。结果表明，缝合在离体猪后腿的跟腱上的无线传感器在多个弯曲循环中表现出稳定的响应和出色的可重复性。其测得的光纤传感器共振频率的变化（在42.6 MHz时约为2.5 MHz）对应于约3.13%的应变变化，这完全在步行或跑步过程中跟腱的预期生理应变范围内（约3− 5%）。此外，在体外演示过程中，纤维应变传感器的滞后性也可以忽略不计，在实际应用中以缝合形式表现出很高的稳定性。

为了验证光纤应变传感系统在体内的功能是否稳定，作者进行了生物相容性测试以及光纤传感器的体内演示。人心脏微血管内皮（HCME）的荧光图像（图4a）显示，纤维传感器具有出色的长期生物相容性。

作者进一步演示了无线光纤应变传感系统监视小型猪跟腱产生的机械应变的能力。结果表明，在植入后3周的腿的多次变形期间，植入的无线系统表现出稳定的无线响应（图4e），并在体内具有长期的稳定性能（图4f）。而且，测得的光纤传感器共振频率的变化（在25.21 MHz处约为1.45 MHz，对应于约3.09%的应变变化）与跟腱的预期生理应变范围相当。此外，在体内实验的几周内，传感器植入部位周围没有严重的炎症或纤维化。

图4. 无线光纤应变传感系统的生物相容性和体内演示

参考文献：Lee, J., Ihle, S.J., Pellegrino, G.S. et al. Stretchable and suturable fibre sensors for wireless monitoring of connective tissue strain. Nat Electron 4, 291–301 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00557-1

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