Nano Lett. 用于實時生物醫學監測的自供電一站式多功能可植入摩擦有源傳感器

【成果簡介】

植入式電子設備的操作時間在很大程度上受制于電池的壽命，需定期通過手術進行更換，這樣一來就會造成患者身體、精神上的痛苦及醫療費用的增加。

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、李舟研究員及第二軍醫大學Zhang Hao(三人為共同通訊作者)等設計研發了一種從人體組織運動中收集機械能的自供電生物監測傳感器（iTEAS），可連續監測多種生理和病理的跡象。如該設備可以監測心率，準確率高達99%，同時，還可實時檢測諸如心房顫動和室性期外收縮等心律失常。該研究成果以題為“Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring”發表在期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1：iTEAS的制備過程

（a）iTEAS結構爆炸視圖

（b）iTEAS初始、彎曲狀態示意圖

（c）n-PTFE摩擦起電層納米級特征SEM圖

（d）柔性納米發電機

（e）垂直接觸分離模式工作機理示意圖

（f）iTEAS電壓輸出與心臟運動對應圖

（g、h）植入式 iTEAS的開路電壓（VOC）及短路電流（ISC）

圖2：心電圖（ECG）R波與iTEAS輸出對比

（a）iTEAS輸出峰值與心電圖（ECG）R波所測峰值相對應

（b）突出顯示區域表示R波和輸出電壓的兩個放大的連續對之間的時間間隔。瞬時心臟率分別為89.4和88.6bpm，精確率高達99.11%

（c）R波和輸出電壓在休息（60 bpm）、工作（90 bpm）、緊張（120 bpm）狀態下均表現一致性

（d）同一時間間隔不同狀態下心率（HRs）的進一步分析

（e）R波（R-R）間隔各不相同，但峰值（P-P）間隔相對應

（f）典型心電圖中的異位R波表面室性早搏，與iTEAS輸出波形消失相對應

圖3：iTEAS輸出與血壓對應圖

（a）iTEAS輸出電壓隨血壓身高增強

（b）輸出電壓與收縮血壓呈現線性關系

（c）血流速度監測機理示意圖

（d）輸出電壓與血壓圖的時間間隔。突出顯示區域時間為LT

（e）隨著血壓升高，LT減小血流速度增大

圖4：iTEAS輸出電壓峰值被植入在不同位置

（a、 b）心臟前、后視圖展示了三個選定的植入部位：左外側壁（LLW）、右側壁（RLW），后壁（PW）

（c）iTEAS被錨定在LLW時，輸出電壓峰值周期穩定波動。

（d）iTEAS被錨定在RLW時，輸出電壓峰值精細但不很穩定；而在PW時，輸出電壓不規律變化

（e）呼吸時，輸出電壓峰值在4.8 ~6.3 V間變化

圖5：iTEAS的植入對組織無明顯損害

（a、 b）植入72小時后，ECG與iTEAS輸出仍然保持一致，b為放大圖。iTEAS所測瞬時心率依然接近ECG心率

（c）植入高達72小時后，監測精確率依然高達99%

（d）iTEAS在植入兩周后從豬心中提取出，沒有檢測到腐蝕、破裂或泄漏

（e）蘇木精伊紅染色顯示在在植入部位未見明顯淋巴細胞浸潤

（f）馬松三色染色法表明在植入部位沒有心肌組織損傷或明顯炎癥纖維增生加重

（g）免疫組織化學分析表明對cleaved-caspase 3的表達無明顯差異

文獻鏈接：Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b01968）

本文由材料人電子電工學術組李小依供稿，材料牛整理編輯。

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