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
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
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2020版》
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