成果简介
持续监测受伤跟腱产生的生物力学信号对于深入了解恢复或康复过程，从而降低二次受伤的风险至关重要。水凝胶生物力学传感器具有类似组织的成分和可调节的特性，被认为是用于人体运动检测的有前途的材料。然而，现有水凝胶的机械性能较差，强度和模量通常低于1MPa，在生理条件下的稳定性也较差，这阻碍了它们在植入式设备中的应用。此外，从收集到的电信号中获取应力信号仍然具有挑战性。本文，东华大学侯恺 副研究员在《J. Mater. Chem. B》期刊发表名为“High-strength fibrous sensors with an enhanced aggregate state for biomechanical monitoring of the Achilles tendon”的论文，研究基于对聚合物聚集的调控，通过冷冻-解冻和冷冻-浸泡两个步骤，制备了一种由聚乙烯醇（PVA）和还原型氧化石墨烯（rGO）组成的用于体内监测的高强度纤维传感器。
得益于结晶、霍夫迈斯特效应和纳米复合材料的协同作用，水凝胶纤维具有较高的拉伸强度（8.34 ± 0.66MPa）和弹性模量（1.15 ± 0.10MPa）。同时，在制造过程中去除盐离子可提高纤维的含水量（69.18 ± 1.47%）和抗溶胀性能，并将植入后的副作用降至最低。实验证明，纤维传感器能以理想的灵敏度（GF = 1.57）记录拉伸时的相对电阻变化，并通过公式推导和计算将其转换为轴承应力。体外和体内试验进一步证实了其实时监测关节运动的可行性，为医学诊断和治疗提供了重要参考。
图文导读
图1 、高强度 PVA 纤维传感器的制造示意图。
图2、 PVA 水凝胶纤维的机械性能和结构。
图3、 rGO 复合水凝胶纤维的传感机理和表征。
图4 .纤维传感器的传感性能
图5. 纤维传感器的体外和体内演示。
小结
总之，我们通过简单的两步策略开发出了一种高强度水凝胶纤维传感器。聚合物的聚集和结晶受阴离子类型和浓度的调节，从而形成致密的水凝胶网络。生成的水凝胶纤维具有出色的机械强度（8.34 ± 0.66 MPa）和模量（1.15 ± 0.10MPa），含水量（69.18 ± 1.47%）与跟腱相似。水凝胶形成后 GO 的原位减少改善了纳米填料的分散性，使纤维在小应变下具有理想的灵敏度（GF = 1.57）。此外，纤维在水环境中的抗溶胀能力和低细胞毒性确保了其作为植入式传感器的长期使用。体外和体内模型证实了纤维传感器监测跟腱生物力学应变的可行性。更重要的是，获得的电阻信号可进一步转化为应力，近似反映受损部位的承载负荷。这种传感器有望应用于跟腱康复的实时监测。
文献：https://doi.org/10.1039/D4TB01255K
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