電紡生物傳感器用于心血管壁壓力檢測

DOI: 10.1021/acsnano.9b02483

植入式壓力生物傳感器顯示出巨大的潛力來評估和診斷與壓力有關的疾病。在這里，作者提出一種結構設計策略來制造核/殼聚偏二氟乙烯（PVDF）/鹽酸羥胺（HHE）有機壓電，且在單軸空間中具有可控且自取向的納米晶體的納米纖維（OPNs），富含β相的纖維的取向（SUO），可顯著增強壓電性能，抗疲勞性，穩定性和生物相容性。然后，PVDF / HHE OPNs軟傳感器被開發并用于監測體內的細微壓力變化。植入后對豬來說，PVDF / HHE OPNs傳感器表現出了超高的檢測靈敏度，并且捕獲心血管壁外部微壓變化并輸出的準確性壓電信號可以實時，同步地反映和區分心血管彈性和房室傳導阻滯的發生以及血栓。此類生物學信息可為早期評估提供診斷依據和血栓形成和動脈粥樣硬化的診斷，尤其是對于人體深處的血栓。

圖1.具有空間自取向β相納米晶體的核/殼PVDF / HHE OPNs的分子結構和表征。（a）在HHE的-NH₂基團和PVDF鏈的-CF₂基團之間存在取向良好的偶極子的情況下，OPNs的分子模型和結構，插圖：PVDF / HHE OPNs的TEM圖像。（b）OPNs的HRTEM，SAED和反FFT圖像始終顯示SUO中PVDF鏈的定向β相納米晶體。

圖2. OPNs中摻雜的HHE分子與PVDF鏈之間的分子相互作用機理。（a）XPS和（b）OPNs的拉曼光譜。這些光譜的差異證實了PVDF / HHE OPNs中存在NH₂-CF₂偶極子。（c）PVDF / HHE OPNs的分子建模和MD模擬，由處于平衡狀態的核（PVDF）-殼（HHE）結構證明。（d）PVDF核與HHE殼之間通過氫鍵和靜電偶極子發生界面相互作用。（e）HHE中的-NH₂基團與PVDF中的-CF₂基團之間以及HHE中的-OH基團與PVDF中的-CF₂基團之間的配對相關函數。

圖3. PVDF / HHE OPNs軟傳感器的壓電特性。（a）PVDF / HHE OPNs和純PVDF OPNs傳感器的輸出電壓為1 kPa和1.5 Hz。（b）PVDF / HHE OPNs傳感器具有出色的抗疲勞性，在5天的新聞發布運動（超過288000個循環）后，仍保持幾乎不變的輸出電壓。（c）在浸入PBS溶液中30天之前和之后，PVDF / HHE OPNs傳感器的高壓電性能和穩定性不受干濕條件的影響。（d）將PBS溶液中浸泡過的PVDF / HHE OPNs的輸出電壓再放置30天。只需將PVDF / HHE OPNs矩陣拉伸約20％，即可輕松將壓電電壓的損失恢復到原始狀態。（e）PVDF / HHE OPNs傳感器的CV和（f）EIS和Bode（插圖）輪廓。PVDF / HHE OPNs傳感器可檢測到的壓電信號，響應于由（g）水滴，（h）音樂聲和（i）人的呼吸引起的不同的超弱機械變形。

圖4.實時監測體內心血管壁外部的微壓變化。（a）記錄用于記錄微壓變化的傳感器的示意圖。 （b）植入到心臟和股動脈的心血管壁上的軟傳感器的手術圖像。（c）用于感測由心血管壁的早期病變引起的微壓變化的傳感器的工作原理的示意圖，該微壓變化通常導致心血管壁的機械特性或/和生理結構的變化。（d）在不同生理狀態下豬的心血管彈性變化，房室性心臟傳導阻滯的發生以及心臟中血栓的形成所引起的植入式傳感器的壓電信號輸出。

圖5.在不同的生理狀態下，與心臟的沖動行為和周圍動脈搏動指數相關的輸出壓電信號的波形特征分析。（a）由心臟壁驅動的輸出壓電信號顯示典型的心律（即心動描記圖，BCG）。（b）從（a）獲得的QRS寬度和QR間隔的BCG值。（c）由股動脈驅動的輸出壓電信號顯示股動脈P1，P2和P3的三個典型BCG脈沖波形。（d）從（c）獲得的IJK寬度和IJ間隔的BCG值； （e）比較來自不同生理狀態的手部邊緣（Tr）的反射波的往返時間。（f）比較不同生理狀態下的股動脈擴張指數（AIf）和股動脈舒張指數（DAI）。