研究背景

在剧烈的户外活动中，不断运动的人体软组织，如肌肉、肌腱和韧带很容易受损。如果没有对这些损伤进行有效的监测，身体恢复可能会受到影响。在严重的情况下，身体功能可能会受到损害。因此，能够以快速、低成本和直接的方式连续监测人体肌肉和韧带的压力和应变等物理特性的传感器是至关重要的。这样一来, 就可以针对不同的损伤制定个性化的治疗方案，同时连续监测组织修复的机械行为对人体软组织康复也很重要。传统的植入式设备需要通过手术植入笨重的设备，并定期更换电池。然而，包括传感单元和控制电子装置在内的刚性电源模块可能导致设备和身体组织之间的一些机械不匹配。植入式传感器的操作寿命通常由电池寿命决定。因此，需要用自供电的方法来优化一些植入式传感器。

研究成果

具有实时保健监测和辅助训练能力的植入式传感器对运动引起的或疾病引起的肌肉和韧带损伤非常重要。然而，这些植入式传感器有一些缺 点，如需要外部电源或灵活性和稳定差。在此，王中林院士团队董凯研究员课题组开发了一种基于摩擦纳米发电机(OFSENG) 的有机凝胶/硅纤维螺旋式传感器，用于无电源和可缝合的植入式韧带应变监测。具有高稳定性和超弹性的OFS-TENG 是由有机凝胶纤维和硅胶纤维以双螺旋结构交织而成的。有机凝胶纤维具有快速制备(15秒)、 良好的透明度(>95%)、 高拉伸性(600%) 和良好的稳定性(超过6个月)等优点。OFS-TENG被成功植入兔膝关节髌骨韧带，用于实时监测膝关节韧带拉伸和肌肉应力，有望为肌肉和韧带损伤的实时诊断提供解决方案。所制备的自供电OFS-TENG可以实时监测人类肌肉和韧带的数据。相关研究以“Ultrastretchable Organogel/Silicone Fiber[1]Helical Sensors for Self-Powered Implantable Ligament Strain Monitoring”为题发表在ACS Nano期刊。

研究亮点

1. 构建了一种基于TENG (OFS-TENG) 的有机凝胶/硅纤维螺旋式传感器，具有稳定性和可伸展性，用于植入式实时韧带应变监测。2. OFS-TENG显示出良好的灵敏度和稳定性,这为植入式自供电传感器、可穿戴设备和健康监测提供了广阔的平台和前景。 

图文导读

Figure 1. Application and architecture of the OFS-TENG.

Figure 2. Characterization of the organogel and OFS-TENG.

Figure 3. Mechanism and performance of the OFS-TENG.

Figure 4. Biocompatibility and demonstration of the OFS-TENG ex vivo.

Figure 5. Application demonstration of the OFS-TENG in vivo.

总结与展望

总之，作者开发了具有快速制备(15秒)、 良好的透明度(>95%)、 高拉伸性(600%) 和良好的稳定性(超过6个月)的有机凝胶。在这种功能性有机凝胶的基础上，成功地制造了一个自供电、可拉伸和稳定的OFS-TENG。该OFS-TENG即使在水或组织液中也能产生稳定的电信号，并成功植入兔子膝关节的髌骨韧带中,用于实时监测韧带的周期性拉伸运动。此外，它在兔子体内保存一周后显示出稳定的输出和生物相容性。组织形态学分析表明, OFS-TENG只诱发了轻微的炎症反应，并且具有良好的组织相容性。这些可喜的结果表明，OFS-TENG在多方向或多点韧带监测和康复训练方面有很大的应用潜力。设想如果OFS-TENG与无线蓝牙低能量设备相结合，可以为智能、可植入、无线和自供电的传感系统提供一种有意义的方法。

文献链接

Ultrastretchable Organogel/Silicone Fiber-Helical Sensors for Self-Powered Implantable Ligament Strain Monitoring，https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03365