中科院纳米能源所李舟团队和中南大学李宇晟合作《ACS Nano》：用于肌肉功能评估的可拉伸、自愈和、皮肤自粘附的主动式传感器
肌肉功能是人体最重要的功能之一，但肌肉功能会随着成年人的年龄增长而下降且易受到损伤。目前肌肉功能评估主要依赖于徒手肌力检查、手持式测力仪，手握测力仪和经验判断等方法。其检测结果往往受到测试场地、环境因素及测试人员主观经验判断的影响，无法区分单一和群组肌肉功能。开发更先进，方便、准确的肌肉功能评估工具对临床上肌肉功能准确评估和指导康复训练具有重要意义。
近年来，基于静电感应和电荷耦合原理的摩擦纳米发电机（TENG）技术取得蓬勃发展，并在主动感知各种物理信号（如生物力、应变、压力和身体运动）方面表现出巨大的优势。TENG具有灵敏度高、可靠性高、功耗低、重量轻、成本低、可定制等特点，是肌肉功能监测的理想选择。然而，传统硬质的TENG与生物组织间存在模量失配问题，影响其生物信息测量的准确性和受试者的佩戴舒适度。金属基电极在反复变形下容易产生脆性断裂，限制了其在生物系统中的进一步应用。
近日，北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队联合中南大学李宇晟副教授提出了一种基于TENG原理的可拉伸、自愈合和皮肤自粘附的主动式传感器（TSAS），用于对参与肌肉训练的多个肌肉群功能的同时、准确评估。为克服传统金属电极的脆性问题，设计制备了一种可拉伸，自愈合离子凝胶，并将其作为TSAS的电极层。以全柔性的硅胶，VHB和parylene-C分别作为摩擦层和封装层，TSAS具有与肌肉组织相匹配的杨氏模量及皮肤粘附能力。经优化后的TSAS具有出色的电压输出和传感特性，可实现0.2 mN的最小检出限（相当于一粒米的重量），毫秒范围内的快速响应时间，超过10万次的循环稳定性及经过10次极端损伤/愈合过程后的稳定输出。在手臂肌肉训练中，TSAS可以同时定量获取肱二头肌、肱三头肌以及手肘关节弯曲灵活度的功能信号。通过装配蓝牙传输模块，肌肉功能信号可被实时传输到可视化终端，帮助临床医生对病人的肌肉功能进行在线分析和指导。
（a）TSAS可以贴附在全身的肌肉上，用于实时肌肉功能监测。（b）TSAS贴附在肱二头肌上。（c）TSAS的尺寸为3×5 cm2。（d）TSAS的材料和结构组成。（e）硅胶膜上微结构的SEM照片，标尺：300 μm。（f）自愈合电极的光学照片。标尺：1 cm。
(a)在一组手臂动作中，TSAS的工作原理。（b）在无/有负载情况下，TSAS用于肌肉功能检测。（c）有/无负载状态下，用于监测肱二头肌，肱三头肌和手肘弯曲角度的TSAS的输出电压波形。（d）图（c）中的波形细节分析。（e）根据方程Voc(F)=0.08506+0.2466F-0.009196F2和方程Voc (θ)=0.08-0.0011+1.425×10-4×θ2计算得到一组手臂动作中Voc的大小。（肱二头肌，肱三头肌和手肘弯曲角度的数值。）
综上所述，该可拉伸、自愈合和皮肤自粘附性质的主动传感器（TSAS），实现了对肌肉功能实时监测和精准评估。相比于传统的肌肉测量设备，TSAS可以提供更精确的个性化服务，具有：i）直接、定量的监测肌肉强度和关节曲率；ii）测量过程对肌肉不产生影响；iii）对单个肌肉与肌群肌力具有良好区分度; iv）多位点同时测量; v）体积小，重量轻，操作方便; vi）不需要外部电源等优势。随着先进材料和技术的发展，肌肉功能评估标准将被重新定义，TSAS也将为肌肉评估形成统一的标准贡献一份力量。
该成果以“Stretchable, Self-Healing, and Skin-Mounted Active Sensor for Multipoint Muscle Function Assessment”为题发表在国际一流期刊《ACS Nano》上。文章第一作者是北京纳米能源与系统研究所的博士研究生王婵和曲学铖，郑强老师。北京纳米能源与系统研究所的李舟研究员和中南大学的李宇晟副教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02010
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