智能醫(yī)療傳感器（SHSs）是以患者為中心的診斷監(jiān)測(cè)設(shè)備之一，它們能夠以無創(chuàng)方式捕獲實(shí)時(shí)生理信號(hào)，如心電信號(hào)、血壓和肌電信號(hào)等。作為薄膜基SHSs的關(guān)鍵因素，導(dǎo)電元件在制備SHSs中受到了廣泛的關(guān)注，特別是鎵銦合金和聚(3-己基噻吩-2,5-二基)，它們具有突出的可拉伸性、可調(diào)節(jié)的電導(dǎo)率和高的靈敏度。然而，較差的自愈性能、不理想的皮膚粘附性以及較低的水下電穩(wěn)定性嚴(yán)重限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用，甚至在一些急性或高要求的情況下導(dǎo)致生理信號(hào)檢測(cè)結(jié)果不可靠。
鑒于此，福州大學(xué)石油化工學(xué)院張進(jìn)教授提出了一種由聚(3-己基噻吩-2,5-二基)/丁基橡膠(P3HT/BR)、鎵-銦共晶合金(E-Galn)和聚二甲基硅氧烷-P3HT/BR(P-P3HT/BR)組成的新型薄膜基SHSs，用于高性能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)。
由于BR的粘度特性和低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、P3HT原纖維的相互連接和E-Galn共同賦予了SHSs高自修復(fù)效率，能夠自主修復(fù)機(jī)械和電性能損失。SHSs與皮膚之間存在范德華力和摩擦力，從而表現(xiàn)出適度的皮膚粘連和無痛脫離，有效地防止了粘連引起的刺激。此外，SHSs由于暴露在空氣的一面具有優(yōu)異的防水性而滿足了其水下的電靈敏和穩(wěn)定性能，這一點(diǎn)通過豬和人在大量水生動(dòng)態(tài)的電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中得到了驗(yàn)證。這些結(jié)果表明，作為一個(gè)多功能平臺(tái)，SHSs不僅為醫(yī)療保健監(jiān)控提供了精確和實(shí)時(shí)的信息，而且為促進(jìn)下一代傳感器的開發(fā)提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。該研究以題為“Smart Healthcare Sensor with Dual Autonomous Self-Healing, Repeatable Skin Adhesion/Detachment, and Hydrophilic/Hydrophobic Janus Surface for Aquatic Ambulatory Electrophysiological Monitoring”的論文發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》。
圖1. PEP薄膜基傳感器的制備及其在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
【P3HT/BR薄膜的粘附和自愈合性能】
圖2. P3HT/BR薄膜的自愈合、粘附性能及其機(jī)理。
P3HT/BR薄膜不僅能粘在豬皮膚組織，還可以與各種材料表面，包括橡膠、玻璃和金屬等產(chǎn)生緊密的粘附。這主要?dú)w因于薄膜和各種底物之間存在多種物理相互作用，主要包括范德華力、靜電相互作用力和摩擦力等，產(chǎn)生中等強(qiáng)度的粘附性（圖2D?E&2J）。通過搭接剪切試驗(yàn)定量研究了P3HT/BR薄膜對(duì)不同幾何形狀基材的粘附強(qiáng)度，在所有情況下，P3HT/BR膜對(duì)紙張的粘附強(qiáng)度最高，為39.30 ± 1.76 kPa，與豬皮的粘附強(qiáng)度適中，為7.00 ± 0.70 kPa（圖2H）。此外，還進(jìn)行了P3HT/BR薄膜與豬皮的循環(huán)剝離粘附試驗(yàn)。如圖2I所示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由于去除過程中的粘彈性能量耗散，薄膜的粘附強(qiáng)度逐漸下降，而在10次循環(huán)后，復(fù)合膜從皮膚組織中剝離后，仍有1.83 ± 0.15 kPa的較好粘附強(qiáng)度。當(dāng)P3HT/BR薄膜作為SHSs時(shí)，這種適中且可重復(fù)的粘附強(qiáng)度保證了其與人體皮膚的合適貼合、穩(wěn)定的信號(hào)傳輸以及佩戴的便利性。
【P-P3HT/BR膜的親/疏水Janus表面特性】
研究人員試圖制備一種具有親/疏水Janus特性的SHSs，同時(shí)滿足防潮和組織相容性的要求。如圖3A所示，通過在P3HT/BR膜表面涂覆PDMS涂層，利用旋涂?jī)x構(gòu)建疏水P-P3HT/BR膜。使用SEM、XPS和FTIR觀察了P-P3HT/BR膜的微觀形貌、成分組成及表面結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果表明成功地形成了穩(wěn)定均勻的涂層（圖3B?D）。如圖3E所示，這種峰狀凸起的均勻粗糙結(jié)構(gòu)是由有機(jī)硅烷中的長(zhǎng)烷基橋接基團(tuán)驅(qū)動(dòng)的，其過程通過紫外照射時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，有利于提高P-P3HT/BR膜的疏水性。此外，P-P3HT/BR膜在pH=1?13范圍內(nèi)的溶液中浸泡24 h，其水接觸角沒有明顯影響（圖3F），表明P-P3HT/BR薄膜通過疏水改性具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和耐溶劑性。
【PEP薄膜基傳感器的制備及其性能表征】
圖3. P-P3HT/BR薄膜和PEP傳感器的制備及性能表征。
【PEP薄膜基傳感器的健康監(jiān)測(cè)及體外生物相容性研究】
圖4. PEP薄膜基傳感器的健康監(jiān)測(cè)及體外生物相容性研究。
【PEP薄膜傳感器在心電圖監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究】
圖5. PEP薄膜基傳感器的心電監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
該研究成果以“Smart Healthcare Sensor with Dual Autonomous Self-Healing, Repeatable Skin Adhesion/Detachment, and Hydrophilic/Hydrophobic Janus Surface for Aquatic Ambulatory Electrophysiological Monitoring”為題，近期發(fā)表于Chemical Engineering Journal。論文共同第一作者為福州大學(xué)石油化工學(xué)院碩士生王子義、石油化工學(xué)院碩士生阮任杰和福建省立醫(yī)院主任醫(yī)師林根輝。通訊作者為福州大學(xué)石油化工學(xué)院林小城教授和張進(jìn)教授。
該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、泉州市高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目、福建省衛(wèi)健委科技計(jì)劃醫(yī)藥創(chuàng)新項(xiàng)目、清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)項(xiàng)目等基金的資助。并感謝福建省雛鷹計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目及福建省科協(xié)青年托舉人才項(xiàng)目的大力支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143603
