Nano Lett. 用于实时生物医学监测的自供电一站式多功能可植入摩擦有源传感器

【成果简介】

植入式电子设备的操作时间在很大程度上受制于电池的寿命，需定期通过手术进行更换，这样一来就会造成患者身体、精神上的痛苦及医疗费用的增加。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、李舟研究员及第二军医大学Zhang Hao(三人为共同通讯作者)等设计研发了一种从人体组织运动中收集机械能的自供电生物监测传感器（iTEAS），可连续监测多种生理和病理的迹象。如该设备可以监测心率，准确率高达99%，同时，还可实时检测诸如心房颤动和室性期外收缩等心律失常。该研究成果以题为“Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring”发表在期刊Nano Letters上。

【图文导读】

图1：iTEAS的制备过程

（a）iTEAS结构爆炸视图

（b）iTEAS初始、弯曲状态示意图

（c）n-PTFE摩擦起电层纳米级特征SEM图

（d）柔性纳米发电机

（e）垂直接触分离模式工作机理示意图

（f）iTEAS电压输出与心脏运动对应图

（g、h）植入式 iTEAS的开路电压（VOC）及短路电流（ISC）

图2：心电图（ECG）R波与iTEAS输出对比

（a）iTEAS输出峰值与心电图（ECG）R波所测峰值相对应

（b）突出显示区域表示R波和输出电压的两个放大的连续对之间的时间间隔。瞬时心脏率分别为89.4和88.6bpm，精确率高达99.11%

（c）R波和输出电压在休息（60 bpm）、工作（90 bpm）、紧张（120 bpm）状态下均表现一致性

（d）同一时间间隔不同状态下心率（HRs）的进一步分析

（e）R波（R-R）间隔各不相同，但峰值（P-P）间隔相对应

（f）典型心电图中的异位R波表面室性早搏，与iTEAS输出波形消失相对应

图3：iTEAS输出与血压对应图

（a）iTEAS输出电压随血压身高增强

（b）输出电压与收缩血压呈现线性关系

（c）血流速度监测机理示意图

（d）输出电压与血压图的时间间隔。突出显示区域时间为LT

（e）随着血压升高，LT减小血流速度增大

图4：iTEAS输出电压峰值被植入在不同位置

（a、 b）心脏前、后视图展示了三个选定的植入部位：左外侧壁（LLW）、右侧壁（RLW），后壁（PW）

（c）iTEAS被锚定在LLW时，输出电压峰值周期稳定波动。

（d）iTEAS被锚定在RLW时，输出电压峰值精细但不很稳定；而在PW时，输出电压不规律变化

（e）呼吸时，输出电压峰值在4.8 ~6.3 V间变化

图5：iTEAS的植入对组织无明显损害

（a、 b）植入72小时后，ECG与iTEAS输出仍然保持一致，b为放大图。iTEAS所测瞬时心率依然接近ECG心率

（c）植入高达72小时后，监测精确率依然高达99%

（d）iTEAS在植入两周后从猪心中提取出，没有检测到腐蚀、破裂或泄漏

（e）苏木精伊红染色显示在在植入部位未见明显淋巴细胞浸润

（f）马松三色染色法表明在植入部位没有心肌组织损伤或明显炎症纤维增生加重

（g）免疫组织化学分析表明对cleaved-caspase 3的表达无明显差异

文献链接：Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b01968）

本文由材料人电子电工学术组李小依供稿，材料牛整理编辑。

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