基于磁弹效应制备了一款自供电柔性生物传感器

据麦姆斯咨询介绍，生物电子器件在人体医疗健康领域有着广泛的应用，它为现代医疗健康护理系统带来了新的希望。例如可穿戴生物传感器和可植入设备的应用，不仅极大地提高了病人的生活质量，还大幅降低了其医疗费用。

人体外部产生的物理信号在临床诊断上是极其宝贵的。然而，不同类型的生理活动所产生的压力信号等级也是不同的。为了对整个人体有着完整的活动监测，生物传感器急需有一个较宽的压力探测范围。

除了体外信号，体内生理病理信号对于疾病的诊断同样重要。例如，心血管疾病是全球主要死亡原因之一。心脏的不规则跳动，会引起心律不齐进而导致猝死，因此，心脏监测对于预防心血管疾病至关重要。

对于可植入设备而言，耐久性、防水性和生物相容性是确保生物器件持续、安全运行最重要的因素。此外，重复手术对病人来说风险太大，更换可植入设备的电池可能会造成炎症或不适。为了持续地监测心脏活动而不需要较大的能量消耗，急需开发一种自供电的可植入传感器。

为了解决以上问题，美国加州大学洛杉矶分校生物工程系的陈俊团队，基于磁弹效应制备了一款可拉伸的、宽压力探测范围的、自供电柔性生物传感器。其探测范围可达3.5Pa~2000kPa，最快效应速度为3ms，并且，通过将超弹性液体金属纳米纤维植入磁流变弹性体中，可实现440%的拉伸应变和超强的循环性能。相关研究成果以论文形式发表在《ACS Nano》中。

首先，如图1所示，为获得所需传感材料，研究人员首先将粘性硅氧烷聚合物、固体磁性纳米颗粒和微气泡混合，制备得到拥有极高磁弹效应的柔性聚合物。随后，通过脉冲磁场对复合物骨架里的纳米磁子重新定向。为了增加材料的耐用性，在磁子外表面涂敷一层7nm的二氧化硅薄膜，以降低其磨损。通过Micro-CT图像可以看出，纳米磁子和微气泡在材料中均匀分布，这一特性有利于降低材料模量，提高器件的柔软程度和舒适性。研究过程中发现，通过控制磁子的浓度，可带来不同的抗拉强度、断裂应变和模量，最终影响其力学性能。而材料的磁场分布和磁感应强度则会对压力大小产生影响。

图1 柔性聚合物的制备和磁弹效应

其次，为了探索和验证传感器各方面的性能，研究人员做了一系列测试研究。

为验证其传感可行性，研究人员基于磁弹效应和磁感应原理设计了一款超拉伸压力传感器。如图2所示，采用热拉法制备包覆医用硅胶的聚乙烯醇纤维，然后将液态金属纤维注射进医用硅胶中空腔内，制备得到的液态金属纳米纤维具有良好的弹性和循环性。研究结果展示了该纤维的力学性能（抗拉强度和循环性能）。进一步的，还可将该纤维制成薄膜，通过图中的micro-CT图像可以看出，液态金属微纤维以螺旋结构分散在柔性聚合物复合材料中，能够敏感地捕捉软薄膜内部的磁场变化。

图2 基于磁弹效应的可拉伸传感器性能表征

为测试其传感器对不同生理活动信号的甄别，进行了如图3所示的测试，测试结果说明了该生物传感器对于不同种类的生理活动均有准确的监测与识别。

图3 基于磁弹效应的可拉伸传感器用于可穿戴生物监测

如图4所示，为验证其作为植入器件可能性和循环耐用性，首先通过细胞培养验证了其无毒性和生物相容性，接着进行了弯曲疲劳测试，经过12000次的弯曲后，其输出性能仅下降了1%，验证了其循环耐用性。

图4 基于磁弹效应的可拉伸传感器用于可植入设备

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩