国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

植入式電子設(shè)備可以對人體生理信息進行動態(tài)、連續(xù)以及實時的監(jiān)控，從而在醫(yī)療應(yīng)用上具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出用于連續(xù)監(jiān)測生物力學(xué)信號的植入式應(yīng)變傳感器。該傳感器可用于整形外科，對人體軟組織損傷后的個性化治療和康復(fù)具有至關(guān)重要的作用。但是，在將這些可植入電子設(shè)備投入臨床實踐之前，需要解決下面三個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：

1. 現(xiàn)有的可植入電子設(shè)備大多為二維平面結(jié)構(gòu)，難以應(yīng)用于通常為一維或三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體內(nèi)大多數(shù)器官和組織；

2. 將柔軟的電子設(shè)備植入運動或搏動的器官具有挑戰(zhàn)性。雖然大多數(shù)平面可植入傳感器可以縫合在目標(biāo)組織或器官上，以進行長期監(jiān)測，但是在臨床情況下縫合柔軟的可植入傳感器的效率不高，并且可能會損壞植入的傳感器；

3. 雖然已經(jīng)開發(fā)出可無線讀出的植入式電子設(shè)備，但是仍然很難將無線讀出與應(yīng)變感測應(yīng)用相結(jié)合。盡管電容應(yīng)變傳感器可以測量電阻-電感-電容器（RLC）系統(tǒng)的諧振頻率的變化，但是由于拉伸電子組件中電阻的增加，在拉伸應(yīng)變下很難保持高質(zhì)量系數(shù)（Q）。此外，對于韌帶等活躍部位的應(yīng)用，需要大約10%的高應(yīng)變敏感性，這進一步帶來了挑戰(zhàn)。

雖然目前科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一維纖維傳感器來克服二維可植入傳感器的限制，但是迄今為止尚未開發(fā)出滿足臨床實踐所需的生物力學(xué)纖維傳感器。

成果介紹

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所Janos V?r?s和韓國大邱慶北科技大學(xué)Jaehong Lee等人報告了一種可用于骨科生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的無線可縫合纖維應(yīng)變傳感系統(tǒng)。纖維應(yīng)變傳感器由具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩根可拉伸的導(dǎo)電纖維和一個空芯組成。制成的光纖應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出約12的卓越靈敏度，比現(xiàn)有的平面電容應(yīng)變傳感器高出約4倍！值得注意的是，可以通過增加一個感應(yīng)線圈來無線操作光纖傳感器，而無需任何焊接連接。此外，該纖維應(yīng)變傳感器可用于無線監(jiān)測離體和體內(nèi)豬腿在運動過程中跟腱的生物力學(xué)應(yīng)變。

與以前報道的植入式傳感技術(shù)相比，該無線光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢：首先，由于其一維纖維狀結(jié)構(gòu)，無線光纖應(yīng)變傳感器比現(xiàn)有的平面可植入電子設(shè)備更適用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種組織和器官；其次，該裝置可以直接縫合到目標(biāo)器官上，從而簡化了手術(shù)過程；最后，該系統(tǒng)不需要任何焊接，可以通過增加一個感應(yīng)線圈來無線操作光纖傳感器，打破了可拉伸電子設(shè)備的應(yīng)用瓶頸。

上述成果以“Stretchable and suturable fibre sensors for wireless monitoring of connective tissue strain”為題，發(fā)表在國際著名期刊Nature Electronics上。

Nature Electronics重磅：超靈敏, 可縫合的植入式電子設(shè)備

Part 1. 電容式光纖應(yīng)變傳感器的設(shè)計

基于Ag納米粒子和彈性聚氨酯纖維復(fù)合材料，作者設(shè)計了一種具有高導(dǎo)電性和可拉伸纖維的無線纖維應(yīng)變傳感系統(tǒng)。無源無線光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)包含一個無線RLC諧振電路（圖1a），由電容性光纖應(yīng)變傳感器的電容器（C）和由通過傳輸線（R）直接連接到導(dǎo)電纖維的天線線圈的電感器（L）組成。其中，兩條可拉伸導(dǎo)電纖維呈中空雙螺旋結(jié)構(gòu)，表面含有約32.2±13.2μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）絕緣涂層，以確保兩根纖維之間不會短路（圖1b）。所制備的光纖應(yīng)變傳感器在拉伸和未拉伸狀態(tài)下均具有3 匝 cm^-1的雙螺旋結(jié)構(gòu)（圖1c），中空芯的直徑為500μm。由于雙螺旋結(jié)構(gòu)中的兩條導(dǎo)電纖維被光纖傳感器中的中空芯相互隔開，因此可以通過兩條導(dǎo)電纖維形成電容應(yīng)變傳感器作為兩個電極，空心電極用作電容器的可變形介電層(圖1d-e)。

該無線應(yīng)變傳感系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，僅使用一根導(dǎo)電纖維即可輕松制造整個系統(tǒng)。由于電容式光纖應(yīng)變傳感器，感應(yīng)線圈和傳輸線之間的傳輸線均由單根導(dǎo)電纖維構(gòu)成，因此可以實現(xiàn)無線系統(tǒng)而無需任何焊接點，從而消除了可伸縮電子設(shè)備的常見局限性之一。此外，無線應(yīng)變感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計允許通過調(diào)整系統(tǒng)中傳輸線的長度，線圈中的直徑和匝數(shù)以及電容部分的特性，在植入的位置和幾何形狀方面提供了出色的靈活性。

圖1. 無線光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的設(shè)計

Part 2. 電容式光纖應(yīng)變傳感器的工作機制

研究發(fā)現(xiàn)，電容式光纖應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出兩種不同的拉伸應(yīng)變模式：低于（模式1）和高于（模式2）臨界應(yīng)變（約30%）的應(yīng)變感應(yīng)。

模式1：在未拉伸的光纖傳感器上施加拉伸應(yīng)變時，傳感器中的兩條雙螺旋導(dǎo)電纖維逐漸伸直并彼此靠近，從而增加了兩條導(dǎo)電纖維之間的電容（圖2a(ii), 2b(ii)）。因為兩條導(dǎo)電纖維僅由纖維傳感器中的中空芯分開，所以雙螺旋導(dǎo)電纖維可以很容易地拉直，而不會受到兩條纖維之間的芯材料的任何機械限制。

模式2：隨著光纖傳感器的繼續(xù)拉伸，兩條雙螺旋導(dǎo)電纖維在拉伸應(yīng)變臨界點處完全拉直，從而形成了兩條導(dǎo)電纖維的扭曲結(jié)構(gòu)（圖2a(iii), 2b(iii)）；如果進一步拉伸光纖傳感器，則兩條扭曲的導(dǎo)電纖維會根據(jù)所施加的應(yīng)變進行本征拉伸，如圖2a（iv）所示。

根據(jù)兩種不同的拉伸模式，光纖傳感器的電容響應(yīng)也表現(xiàn)出不同的行為。在模式1中，傳感器的拉伸機制主要取決于兩個雙螺旋導(dǎo)電纖維的拉直程度，因此其電容響應(yīng)呈現(xiàn)非線性行為。通過數(shù)學(xué)計算和仿真分析，光纖傳感器表現(xiàn)出較低敏感度的初始應(yīng)變范圍（0-15%）和較高敏感度的應(yīng)變范圍（15–27.5%）（圖2c）。由于在可植入應(yīng)變傳感器的實際應(yīng)用中，大多數(shù)器官或組織沒有被大量拉伸，因此需要在相對較小的應(yīng)變范圍（約10%）上具有高靈敏度。因此，在實際應(yīng)用中，作者將模式1的高敏感應(yīng)變范圍（15–27.5%）認(rèn)定為人們所關(guān)注的工作模式，并將感測應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度定義為傳感器的主要靈敏度（圖2c）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在15–27.5%的感測應(yīng)變范圍內(nèi)，光纖應(yīng)變傳感器實現(xiàn)了大約12的主靈敏度，比之前報道的電容應(yīng)變傳感器的高得多。

圖2. 光纖應(yīng)變傳感器的工作機制

Part 3. 光纖應(yīng)變傳感器的性能表征

進一步研究發(fā)現(xiàn)，纖維應(yīng)變傳感器的性能可以通過調(diào)節(jié)傳感器中的導(dǎo)電纖維的雙螺旋結(jié)構(gòu)調(diào)控。結(jié)果表明，隨著結(jié)構(gòu)中螺旋線匝密度的提高，傳感器的主靈敏度降低，其可操作拉伸性提高（圖3b）。此外，還可以通過調(diào)節(jié)傳感器中的中空芯的初始直徑來調(diào)整光纖傳感器的可操作拉伸性（圖3d）。

由于其高靈敏度，該傳感器可以成功檢測出微小的施加應(yīng)變。以3匝cm^-1的雙螺旋密度和500μm的中空直徑制造的光纖應(yīng)變傳感器可抵抗低至0.1%的微小外加應(yīng)變；將其用于實際的應(yīng)變傳感應(yīng)用中時，該傳感器測得的微小拉伸應(yīng)變?yōu)?.05%，表現(xiàn)出的均方根噪聲約為0.000068，達到了0.001%的應(yīng)變檢測下限。

同時，作者還研究了光纖應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性和耐用性。在應(yīng)變?yōu)?0%的單個預(yù)拉伸循環(huán)之后，連續(xù)拉伸釋放循環(huán)，光纖應(yīng)變傳感器的電容響應(yīng)出現(xiàn)可忽略的滯后現(xiàn)象（圖3f），這表明預(yù)拉伸的光纖傳感器具有很高的穩(wěn)定性。

而且，在對傳感器施加50%的預(yù)應(yīng)變后，光纖應(yīng)變傳感器對5%，10%，20%和30%的各種重復(fù)拉伸應(yīng)變表現(xiàn)出穩(wěn)定且明顯可分辨的響應(yīng)（圖3h）。在10%應(yīng)變條件下，光纖應(yīng)變傳感器經(jīng)過2000次密集測試之后仍然表現(xiàn)出穩(wěn)定的電容響應(yīng)，而沒有任何明顯的下降，這證明了光纖傳感器的高耐用性（圖3i-j）。此外，即使完全浸入未稀釋的磷酸鹽緩沖鹽水（1×PBS）中，光纖傳感器的電容響應(yīng)也可以在幾周內(nèi)保持穩(wěn)定，這表明該傳感器在生理介質(zhì)中具有很高的穩(wěn)定性。

圖3. 光纖應(yīng)變傳感器的性能

Part 4. 無線光纖應(yīng)變傳感器的生物體外和體內(nèi)演示

最后，作者選擇通過監(jiān)測豬腿運動過程中韌帶和肌腱組織上產(chǎn)生的生理應(yīng)變來展示無線光纖應(yīng)變傳感器的性能。通過光纖應(yīng)變傳感器直接縫合到新鮮離體豬后腿的跟腱上，作者可以在豬腿彎曲和伸展過程中連續(xù)實時地監(jiān)測無線系統(tǒng)的共振頻率。當(dāng)豬腿彎曲時，跟腱和縫合在其上的纖維應(yīng)變傳感器會拉伸，導(dǎo)致纖維傳感器的電容增加，使得系統(tǒng)的共振頻率降低，從而可以在運動過程中無線監(jiān)控跟腱的拉伸應(yīng)變。結(jié)果表明，縫合在離體豬后腿的跟腱上的無線傳感器在多個彎曲循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)和出色的可重復(fù)性。其測得的光纖傳感器共振頻率的變化（在42.6 MHz時約為2.5 MHz）對應(yīng)于約3.13%的應(yīng)變變化，這完全在步行或跑步過程中跟腱的預(yù)期生理應(yīng)變范圍內(nèi)（約3? 5%）。此外，在體外演示過程中，纖維應(yīng)變傳感器的滯后性也可以忽略不計，在實際應(yīng)用中以縫合形式表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性。

為了驗證光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)在體內(nèi)的功能是否穩(wěn)定，作者進行了生物相容性測試以及光纖傳感器的體內(nèi)演示。人心臟微血管內(nèi)皮（HCME）的熒光圖像（圖4a）顯示，纖維傳感器具有出色的長期生物相容性。

作者進一步演示了無線光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)監(jiān)視小型豬跟腱產(chǎn)生的機械應(yīng)變的能力。結(jié)果表明，在植入后3周的腿的多次變形期間，植入的無線系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的無線響應(yīng)（圖4e），并在體內(nèi)具有長期的穩(wěn)定性能（圖4f）。而且，測得的光纖傳感器共振頻率的變化（在25.21 MHz處約為1.45 MHz，對應(yīng)于約3.09%的應(yīng)變變化）與跟腱的預(yù)期生理應(yīng)變范圍相當(dāng)。此外，在體內(nèi)實驗的幾周內(nèi)，傳感器植入部位周圍沒有嚴(yán)重的炎癥或纖維化。

圖4. 無線光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的生物相容性和體內(nèi)演示

參考文獻：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

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/16/5edd0cf37f/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

Nature Electronics重磅：超靈敏, 可縫合的植入式電子設(shè)備

相關(guān)推薦