在生理學(xué)上,，機械電信號提供了巨大的生理和病理體征以及愈合管理效用的信息反饋;然而,，它們只能通過有限和繁瑣的方法檢測到。例如,，心電圖 （ECG）信號代表了心肌梗塞 （MI） 的電生理特征,，心肌梗塞是全球最主要的死亡原因之一。近年來,，生物材料科學(xué)和軟生物電子系統(tǒng)的進(jìn)步使得精確監(jiān)測各種心臟信號成為可能和可訪問,，因為它們具有高應(yīng)變/應(yīng)力傳感能力和生物力學(xué)順應(yīng)性。特別是,，受皮膚啟發(fā)的應(yīng)變軟傳感器因其強大的機械變形傳感性能,、簡單的設(shè)備配置和簡單的機械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)能力而受到越來越多的關(guān)注,。盡管取得了這些進(jìn)展，但仍有未解決的挑戰(zhàn),。

來自南方醫(yī)科大學(xué)的學(xué)者報道了一種基于高拉伸彈性離子導(dǎo)電水凝膠的仿生皺紋增強自適應(yīng)納米粘土互鎖軟應(yīng)變傳感器,。由于納米粘土交聯(lián)和納米增強互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)-機械-電氣完整性，這種新型納米粘土復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能和高傳感能力,，具有穩(wěn)定可靠的傳感性能,。兩親性離子的摻入為水凝膠提供了顯著的蛋白質(zhì)抗性，減少了其在植入時對蛋白質(zhì)的非特異性吸附,，提高了其作為植入裝置的生物安全性,，并保持了傳感結(jié)果的真實性?；谒沂镜幕诜謱佑行蚪Y(jié)構(gòu)的傳感增強機制作為概念驗證應(yīng)用,，該水凝膠傳感器被證明能夠準(zhǔn)確定位發(fā)生心肌梗死的區(qū)域，并可能成為實時監(jiān)測心臟病病理變化的新策略,。相關(guān)文章以“Highly Stretchable and Biocompatible Wrinkled Nanoclay-Composite Hydrogel With Enhanced Sensing Capability for Precise Detection of Myocardial Infarction”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials,。

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https:///10.1002/adma.202209497

圖1.A）納米復(fù)合水凝膠的合成方案。B）由指紋的表面圖案和內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)吸入的皺褶納米復(fù)合水凝膠示意圖,。C） 扁平和皺褶的SPE₂NC_2.5 水凝膠的XRD 圖譜,。D） 扁平和起皺的 SPE₂NC_2.5水凝膠的 SEM 圖像。E）SPE₂NC_2.5水凝膠的透射電鏡圖像,。F）通過扁平水凝膠和皺巴巴的SPE₂NC_2.5水凝膠檢測正常大鼠心臟的信號,。 G） SPE₂NC_2.5 皺水凝膠作為應(yīng)變傳感器，用于檢測人體不同位置的運動,。

圖2.納米復(fù)合水凝膠的機械和導(dǎo)電性表征,。A）SPE₂NC_2.5納米復(fù)合水凝膠的結(jié)，拉伸和釋放過程的照片,。B）具有拉伸應(yīng)變的水凝膠中聚合物鏈和納米粘土片的變化示意圖,。 C）不同納米粘土含量的水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。D）壓縮不同納米粘土含量的水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。E）壓縮和釋放下的納米復(fù)合水凝膠的照片,。F，G,，H） 不同納米黏土含量水凝膠的力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量,、斷裂應(yīng)變和韌性,。I）SPE₂NC_2.5水凝膠連續(xù)5000次壓縮循環(huán)的載荷循環(huán)曲線。插圖是 1–10,、2500–2510 和 4990–5000周期內(nèi)的放大信號,。J） 不同納米粘土含量的水凝膠的電導(dǎo)率,。

圖3.SPE₂NC_2.5皺水凝膠作為用于肢體運動監(jiān)測的可穿戴應(yīng)變傳感器。SPE₂NC_2.5褶皺水凝膠用作傳感器,，用于監(jiān)測志愿者的 A） 肘部,、B） 手腕、C） 肘部和 D） 膝蓋的反復(fù)彎曲,。E）阻力變化響應(yīng)不同短語的發(fā)音：“ni hao”,，“Hi”和“Hello”。F）SPE₂NC_2.5皺水凝膠粘附在志愿者記錄吞咽的喉嚨上,。 G）電阻的可重復(fù)性在水滴下發(fā)生變化,。H） SPE₂NC_2.5 皺水凝膠傳感器的即時響應(yīng)，響應(yīng)時間為 50 ms,。I） SPE₂NC_2.5皺水凝膠傳感器和現(xiàn)有皺傳感器的響應(yīng)時間

圖4.皺紋增強敏感性,。A，B）激光共聚焦光學(xué)顯微鏡顯示了SPE2NC2NC2.5褶皺水凝膠在不同應(yīng)變下在不同方向上拉伸過程中的原位表面形貌轉(zhuǎn)變和響應(yīng)表面變化圖,。C）動態(tài)拉伸過程中皺紋圖案Ω值的變化,。D）SPE₂NC_2.5 皺平水凝膠傳感器的相對電阻隨拉伸應(yīng)變的變化。插圖顯示了LED的亮度隨拉伸載荷的增加而變化,。E）不同拉伸變形（50%,、100%、200%和400%）下電阻變化的重復(fù)性,。F） SPE₂NC_2.5皺水凝膠傳感器在 3000 次循環(huán)中在 50% 變形下對循環(huán)壓縮的抵抗響應(yīng),。G） SPE₂NC_2.5皺納米粘土復(fù)合水凝膠傳感器在不同應(yīng)變下在不同應(yīng)力（如壓縮、拉伸和彎曲應(yīng)力）等多向力學(xué)力下的變形示意圖,。

圖5.水凝膠的蛋白質(zhì)抗性和細(xì)胞相容性,。A）水凝膠抗蛋白吸附和細(xì)胞粘附示意圖。B）不同成分的水凝膠對HSA的吸附量,。C） 在水凝膠支架上培養(yǎng)3 天的 RAW 264.7 巨噬細(xì)胞的染色,。D）在不同水凝膠提取物中培養(yǎng)3天的HUVEC染色。E） 在不同水凝膠提取物中培養(yǎng) 3 天的 C2C12 的染色,。F） 在不同水凝膠提取物中培養(yǎng) 3 天的HUVEC 的 cck-8 OD 值,。G） 在不同水凝膠提取物中培養(yǎng)3天的C2C12的cck-8 OD值

圖6.SPE₂NC_2.5水凝膠的體內(nèi)生物相容性和抗FBER膠囊評價。A）用于皮下植入水凝膠的大鼠模型示意圖,。B）1周后皮下植入PDMS和SPE₂NC_2.5水凝膠后的fber包裹圖像,。C，D）1周后植入物周圍皮膚組織的H&E和Masson三色染色,。

圖7.體內(nèi)植入后1周組織切片中的巨噬細(xì)胞變形和極化,。A）CD68的免疫熒光染色（紅色）。 比例尺：100 μm,。 B）CD86（紅色）和CD206（綠色）的免疫熒光染色,。C） 根據(jù)CD68免疫染色圖像計算熒光強度統(tǒng)計,。D）根據(jù)免疫染色圖像計算不同組M1和M2巨噬細(xì)胞的百分比。

圖8.SPE₂NC_2.5微皺水凝膠作為應(yīng)變傳感器,，與超聲心動圖,、心電圖和64通道電極陣列映射方法相比，用于準(zhǔn)確檢測心肌梗死,。A）SPE₂NC_2.5水凝膠作為心臟信號檢測傳感器的位置示意圖,。B）7天術(shù)后心臟的代表性超聲心動圖圖像。C）SD大鼠正常和心肌梗死心臟的心電圖表現(xiàn),。D）從放置在正常和心肌梗塞心臟整個區(qū)域的應(yīng)變傳感器記錄的心臟信號,。E）記錄SD大鼠非損傷區(qū)和損傷區(qū)的代表性心外膜激活圖。紅色：最早激活,，藍(lán)色：最新激活,，數(shù)字表示激活時間（毫秒）。F）單通道信號心外膜電位64通道電極陣列映射系統(tǒng),。G）從心肌梗死SD大鼠非損傷梗死區(qū)域的應(yīng)變傳感器記錄的心臟信號,。H） 放置在心臟三個不同位置（左心房、左心室和心尖）的應(yīng)變傳感器的示意圖,。I） 通過將傳感器放置在正常和心肌梗塞心臟的三個不同位置來測量從應(yīng)變傳感器記錄的心臟信號

本研究利用具有表面褶皺微觀結(jié)構(gòu)和分層內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的一步冷凍聚合技術(shù),，開發(fā)了一種高度可拉伸、生物相容性強,、卓越的耐蛋白質(zhì)性和納米粘土復(fù)合增強離子導(dǎo)電水凝膠,，并基于這些特性設(shè)計了一種應(yīng)變生物傳感器。納米粘土的引入不僅增強了水凝膠的力學(xué)性能,，而且還賦予了水凝膠系統(tǒng)中高度有序的微觀結(jié)構(gòu),。納米增強水凝膠可以拉伸近1000%而不會斷裂，并承受超過5000次加載/卸載循環(huán),。水凝膠表面的分層微觀結(jié)構(gòu)和納米粘土片在網(wǎng)絡(luò)中的有序分布顯著增加了水凝膠的接觸面積,，提高了水凝膠作為應(yīng)變傳感器的靈敏度和結(jié)構(gòu)集成。

該水凝膠傳感器不僅可以對外部環(huán)境刺激提供低至 50 ms 的快速時間響應(yīng),，還可以監(jiān)測各種人體運動,、液滴觸覺和語音信號。更令人印象深刻的是,，這種水凝膠具有顯著的蛋白質(zhì)抗性,，并且在體內(nèi)植入1周后表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞和組織生物相容性，不會形成纖維膠囊,，證實了作為植入裝置的實際應(yīng)用的適用性和生物安全性,。此外，還首次證明了水凝膠傳感器可以準(zhǔn)確定位發(fā)生心肌梗塞的區(qū)域。我們可以基于這些特性在未來設(shè)計一種水凝膠陣列傳感器,，并將其植入心臟表面，實時監(jiān)測局部病變,，這有可能成為實時監(jiān)測心臟病病理變化的新策略,。（文：SSC）