柔性传感器件的发展促进了实时原位人体健康监测装置的实现，尤其是可植入体内的柔性应变传感器，其与组织/器官的紧密结合可有效减少传感器-组织界面的机械滑动，同时减少对生物活动的干扰。然而，柔性应变传感器大多配有电源和信号线，不可避免地给使用过程带来不便，甚至在第二次手术中更换电源时会造成潜在风险。尽管研究者们已经开发了基于电阻-电感-电容（RLC）系统的柔性应变传感器，然而，由于在应变状态下的电阻增加，RLC系统难以保持高质量（Q）因子，因而很难实现应变传感过程中的稳定无线输出。如何设计和开发具备无线无源传感能力的超柔性应变传感器是实现植入式生物力学监测急需解决的问题。
图1 （a）基于磁性水凝胶的柔性应变传感器；（b）不同磁颗粒浓度的磁性水凝胶照片；（c）磁基应变传感器的工作原理与磁场模型示意图。近期，西安交通大学生命学院张晓慧教授课题组开发了一种基于甲基丙烯酸明胶（GelMA）/四氧化三铁（Fe3O4）磁性水凝胶薄膜的超柔性的、优异生物相容性的磁基应变传感原型器件。构建的磁性水凝胶薄膜表现出超软机械性能（杨氏模量1.2 kPa）、强磁性（12.74 emu/g）、优异的生物相容性以及在盐溶液中的长期稳定性。受益于这些材料特性，应变传感器可实现低至50 μm应变的检测能力。在磷酸盐缓冲溶液中，传感器仍可保持长期的抗离子干扰能力。此外，通过建立模拟传感过程的磁场模型，获得磁场检测的最佳空间位置以及传感器相对磁导率与检测灵敏度之间的关系。进一步通过将传感器与体外心肌模型结合，验证了其良好的生物相容性以及对微弱生物自主活动的低干扰。最后，设计了一个可对心脏收缩力进行长期监测的实时的、高通量、无源无线的实验平台。基于此，实现对药物刺激和培养时间对心肌细胞收缩能力影响的实时监测。本研究构建的磁基应变传感器为实现无线无源的生物力学监测提供了一个通用平台，提出了一种在植入式设备中通过磁场传递信息的新思路。
图3 （a）基于磁基应变传感器的无线无源生物力学监测平台；（b）（c）不同磁颗粒浓度传感器监测的心肌搏动信号；（d）（e）不同心肌细胞浓度(A, B: 1×106 cells/cm2; C, D: 2×106 cells/cm2)产生的同步收缩信号；（f）（g）心肌细胞的药物反应；（h）平台对心肌细胞的长期监测结果该研究成果以“基于超软、生物相容性磁性水凝胶的应变传感器及其在无线无源生物力学监测的应用”（Ultrasoft and Biocompatible Magnetic Hydrogel-Based Strain Sensors for Wireless Passive Biomechanical Monitoring）为题，在国际权威期刊《ACS Nano》上在线发表。论文第一作者为西安交大生命学院博士生张淇，通讯作者为西安交通大学生命学院的张晓慧教授。该工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。西安交通大学生命科学与技术学院张晓慧教授课题组长期致力于生物材料与组织再生、柔性传感与健康医疗监测相关领域研究。迄今已在 Advanced Functional Materials, ACS Nano，Biomaterials, Advanced Drug Delivery Review, NPG Asia Materials, ACS Applied Materials & Interfaces等国际知名学术期刊发表 SCI论文60余篇，授权发明专利10项。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10404
张晓慧教授主页链接：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/xiaohuizhang/home
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。