2024上海医疗器械创新展创新前沿 | 用于人体体温调节的可伸缩耐热蛋白质电子皮肤

2024-04-08

研究背景

最近，用于智能医疗监测的柔性生物电子学的发展亟待加强。医疗保健监测的柔性生物电子器件，以满足日益增长的市场需求。具体而言，安装在人体上的柔性生物电子皮肤可收集多种物理信号(如湿度、紫外线或温度)，并通过模仿人体体感系统将这些刺激转化为可视化信息。例如，具有大面积可扩展性的假肢控制系统可检测到五种传感信号，以发人的动机。利用电路矩阵制作的指纹识别系统可通过触觉压力和温度映射来感知按在显示屏上的手指。能够加热和监测温度的生物兼容电子器件可疏通血管，缓解关节炎。然而，这些基于PI、PET和PDMS等人造聚合物基底的体感系统在透气性、机械柔韧性和与炎症反应相关的生物相容性方面存在局限性。此外，当它们应用干多功能电子皮肤(E-skin)时，不可控的降解性将导致电子废物的产生。

蚕丝作为一种天然生物材料，已被设计成多种形式，包括纤维、水凝胶、薄膜和支架，特别是，从桑蚕中提取的蚕丝纤维蛋白(SF)分子可用于制备自组装膜。迄今为止，SF 薄膜已被应用于柔性电子学，如可拉伸 SF/CaClz电极、以SF膜为栅电介质的有机晶体管和 SF/环氧硅烷生物光子学。尽管具有上述优点，SF 膜仍有其局限性如相对较差的延伸性和在相对较高的工作温度下的热降解。2024上海医疗器械创新展Medtec 创新展了解到最近，一些报道发现，通过构建从纳米尺度到中尺度的分层网络结构，可以改善 SF 膜的机械性能。

研究成果

蚕丝蛋白具有生物降解性和生物相容性，是皮肤和植入式电子设备的理想材料之一。然而其固有的脆性和较差的热稳定性限制了它的应用。在这项工作中，新加坡国立大学刘向阳&厦门大学郭文熹教授等人通过再生蚕丝纤维素(SF)与PU之间的强相互作用，以介观掺杂的方式合成了坚固耐热的蚕丝纤维素复合膜(SFCMs)。令人惊讶的是，所获得的 SFCM 可以经受拉伸试验(>200%)和热处理(高达160 ℃)。由于这些优点，传统的微机械加工技术(如喷墨打印)可以在这种蛋白质基底上打印柔性电路。在此基础上，Ag 纳米纤维(NFs)和PtNFs网络被成功地构建在SFCM 的两侧，分别用作加热器和温度传感器。此外，集成的蛋白质电子皮肤(PBES)具有很高的热稳定性和温度灵敏度(0.205%°C^-1)。通过阵列式 PBES 实现了加热和温度分布检测，有助于在疏通血管以缓解关节炎方面的潜在应用。这种PBES 还具有无炎症性和透气性可直接贴合在人体皮肤上进行长期热管理。相关研究以“Stretchable and Heat-Resistant Protein-Based Electronic Skin for Human Thermoregulation”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Fabrication of PBES based on SFCM.

Figure 2. Characterization of SFCM as the substrate.

Figure 3. Electrical stability of the Ag NFs/SFCM/Pt NFs unit from PBES.

Figure 4. Joule heating performance and application example of the Ag NFs heater.

Figure 5. The temperature sensor based on stable Pt NFs networks and thin SFCM.

Figure 6. Integrated detection and biological performance of PBES.

Medtec项目组倾情打造的全新系列品牌活动—— 2024上海医疗器械创新展Medtec 供应链创新展今年将于苏州举办，（简称Medtec 创新展）将于2024年12月23-24日移师苏州国际博览中心B1馆举办，预计将聚集300+优质企业，逾10,000专业观众，举办主题演讲60+场。展会致力于深度挖掘区域性产业需求和供应链资源，推动医疗器械生产制造全产业链优化升级，促进企业产业创新发展。现场将有材料、部件、粘合剂；管件及挤出专区；包装材料及加工；模具&塑膜成型&合同制造等八大展区集中展示。

总结与展望

总之， 2024上海医疗器械创新展Medtec 供应链创新展了解到耐热 SFCM 具有透光率高(大于 90%)、延伸性好(大于 200%)、耐热能力强(高达160°C)和透气性好(21.2 mm s^-1)等特点。作为加热器的 Ag NFs 网络具有高耐热性加热周期性和拉伸稳定性(在加热分布均匀的情况下可拉伸至75%)，而作为温度传感器的Pt NFS 网络则具有温度灵敏度(0.205%°C^-1)、可靠性和快速响应性(<2 s)。为阵列式PBES 印制和安装的精密电路用于传输温度信号和反馈加热情况。这种集成装置有利于个人热管理，以缓解物理热疗中的关节炎。此外，在将PBES 贴合到人体皮肤上时，没有观察到炎症反应，也不会被 HMTA 降解。我们相信，这种 PBES 及其稳定的结构可广泛应用于人机交互技术、皮肤安装设备和医疗保健监测领域。

文章来源： i学术i科研

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