上科大凌盛杰教授《Mater. Horiz.》：利用具有良好力学及电学性能的离子导体纤维可实现对植入器件状态的非接触式识别

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材料与生物体之间的力学及电学性能的匹配是目前可植入器件研究中的一个重要问题，良好的匹配性可有效降低免疫反应并起到良好的生物信号调节作用。针对此需求，上海科技大学凌盛杰课题组提出了一种湿法纺丝与后道工序机械训练相结合的方法，制备得到了力学性能与电学性能灵活可调的多级结构海藻酸钙纤维（AHIF），并设计出一种非接触式电信号识别模型，可用于对植入器件的状态监测。

动物丝和组织纤维等天然纤维中的高取向分子网络结构已被广泛证明是其优异力学性能的来源。以此为灵感，可通过拉伸的方式赋予高分子纤维类似的结构。然而由于应力松弛，拉伸过程中形成的高取向分子网络结构无法保留。为了保留高取向分子网络结构，本研究采用了一种力学训练策略，即对纺丝制备的AHIF施加重复的机械载荷以触发其分子网络沿载荷方向重新取向。所制得的AHIF具有稳定的分子网络取向和宏观取向的类天然纤维（如柞蚕丝等）的多级微纤结构（图1）。

图1 AHIF的制备方法（A-D）及其结构（E）和形貌（F-H）

本研究中所制备的AHIF具有良好的力学可调控性，其力学性能可通过控制机械训时间来调控。在力学训练过程中，实现了纤维模量从0.1 MPa~5 MPa范围的调控。该模量数值范围涵盖一系列组织，如肺、肌肉和皮肤等，展现出与各种人体组织力学匹配的可行性。与含水量相当的海藻酸盐水凝胶相比，机械训练所得到的AHIF在延展性和模量之间的平衡方面的也更具优势（图2）。此外，所制备的AHIF具有良好的生物相容性，体现出可植入的潜力（图3）。

图2 AHIF的力学性能及与其它材料、生物组织的力学对比。

图3 AHIF显示出良好的生物相容性

由于钙离子和水的存在，AHIF具有良好的导电性，是一种离子导体材料，在外加磁场下可产生电信号。研究中设计了一种非接触式的电信号发生器模型，其信号会根据AHIF的布局形式、几何结构及所受张力的变化而变化。通过机器学习对AHIF在不同状态下所引发信号变化进行学习，可对信号进行准确判定，从而实现对可植入的AHIF设备在生物体内的状态监控（图4）。

图4 非接触式电磁感应结合机器学习，可实现对可植入AHIF器件的几何结构和张力状态的监测。

综上所述，本研究报告了一种力学性能可控的离子导体纤维，较宽力学性能调控范围可实现其与不同生物组织器官的力学匹配。此外，AHIF良好的生物相容性与导电性。利用非接触式可植入式电信号发生器原理，通过机器学习的方式可进一步实现对所植入的AHIF器件状态的监控。该设计模型在生物传感器、智能感知及人机交互等领域具有一定的参考性及应用潜力。

相关论文以题为“Mechanically and electrically biocompatible hydrogel ionotronic fibers for fabricating structurally stable implants and enabling noncontact physioelectrical modulation”为发表在《Materials Horizons》上。此工作中材料及器件的设计制备，机器学习方案由上海科技大学凌盛杰课题组完成；复旦大学附属中山医院江立波课题组提供生物实验部分支持；加州大学伯克利分校的Chun-Teh Chen提供了分子动力学模拟相关结果。

全文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00296E

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