智能醫(yī)療傳感器（SHSs）是以患者為中心的診斷監(jiān)測設備之一，它們能夠以無創(chuàng)方式捕獲實時生理信號，如心電信號、血壓和肌電信號等。作為薄膜基SHSs的關鍵因素，導電元件在制備SHSs中受到了廣泛的關注，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、可調節(jié)的電導率和高的靈敏度。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)定性嚴重限制了它們的進一步應用，甚至在一些急性或高要求的情況下導致生理信號檢測結果不可靠。
鑒于此，福州大學石油化工學院張進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監(jiān)測。
由于BR的粘度特性和低玻璃化轉變溫度、P3HT原纖維的相互連接和E-Galn共同賦予了SHSs高自修復效率，能夠自主修復機械和電性能損失。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，這一點通過豬和人在大量水生動態(tài)的電生理信號監(jiān)測數據中得到了驗證。這些結果表明，作為一個多功能平臺，SHSs不僅為醫(yī)療保健監(jiān)控提供了精確和實時的信息，而且為促進下一代傳感器的開發(fā)提供了有價值的指導。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)測領域的應用。
【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、玻璃和金屬等產生緊密的粘附。這主要歸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，產生中等強度的粘附性（圖2D?E&2J）。通過搭接剪切試驗定量研究了P3HT/BR薄膜對不同幾何形狀基材的粘附強度，在所有情況下，P3HT/BR膜對紙張的粘附強度最高，為39.30 ± 1.76 kPa，與豬皮的粘附強度適中，為7.00 ± 0.70 kPa（圖2H）。此外，還進行了P3HT/BR薄膜與豬皮的循環(huán)剝離粘附試驗。如圖2I所示，隨著循環(huán)次數的增加，由于去除過程中的粘彈性能量耗散，薄膜的粘附強度逐漸下降，而在10次循環(huán)后，復合膜從皮膚組織中剝離后，仍有1.83 ± 0.15 kPa的較好粘附強度。當P3HT/BR薄膜作為SHSs時，這種適中且可重復的粘附強度保證了其與人體皮膚的合適貼合、穩(wěn)定的信號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，利用旋涂儀構建疏水P-P3HT/BR膜。使用SEM、XPS和FTIR觀察了P-P3HT/BR膜的微觀形貌、成分組成及表面結構，這些結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構是由有機硅烷中的長烷基橋接基團驅動的，其過程通過紫外照射時間進行調控，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)測及體外生物相容性研究。
【PEP薄膜傳感器在心電圖監(jiān)測中的應用研究】
圖5. PEP薄膜基傳感器的心電監(jiān)測應用。
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石油化工學院碩士生王子義、石油化工學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石油化工學院林小城教授和張進教授。
該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、泉州市高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目、福建省衛(wèi)健委科技計劃醫(yī)藥創(chuàng)新項目、清源創(chuàng)新實驗室重點項目等基金的資助。并感謝福建省雛鷹計劃青年拔尖人才項目及福建省科協青年托舉人才項目的大力支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143603
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