可檢測、治療癲癇病的酶降解絲質水凝膠傳感器

柔性器件(如壓力和應變傳感器)可用在電子皮膚和植入式設備。雖然高靈敏的機械傳感器的研發已經取得瞭相當大的進展,但大多數可穿戴設備和電子皮膚隻能滿足監測方面的要求。耐久性、生物相容性、治療能力、可控藥物釋放和可觸發降解也是柔性器件的幾大挑戰。

蠶和蜘蛛產生的絲蛋白具有機械強度、生物相容性和可生物降解性。絲綢加工條件溫和,這允許將具有電光功能、光學或化學活性的摻雜劑(如石墨烯、碳納米管、激光染料、金屬和半導體納米顆粒以及量子點)或者生物成分(如藥物、酶、抗體和抗原)參雜入絲綢中,從而在較長時間內保留其功能性和生物活性功能。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所陶虎團隊在Advanced Science上發表瞭Body‐Integrated, Enzyme‐Triggered Degradable, Silk‐Based Mechanical Sensors for Customized Health/Fitness Monitoring and In Situ Treatment,作者報告一組導電絲素蛋白水凝膠(CSFH)柔性可拉伸傳感器,它用於可穿戴或植入體內。

摻雜碳納米管(CNTs)的CSFH具有良好的柔韌性,其彈性模量為0.001-0.15 MPa,高拉伸性能可達100%,並且具有良好的剛性和彈性。由於CSFH可響應各種簡單和復雜的動作(如單獨的壓縮、拉伸和彎曲)或其各種組合,因此它可用於感測壓力和應變以及區分不同的行為狀態。作者展示瞭這些設備在手語翻譯和監測生理信號(如顱內壓(ICP)和言語或關節運動期間的肌肉運動)方面的能力。此外,可以通過光照-酶激活降解機制按需降解水凝膠。水凝膠傳感器可有效監測癲癇並進行原位治。

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【結果與展示】

1. CSFH的結構與性能表征

圖1a展示瞭CSFH的基本結構和材料組件。絲蛋白由α-螺旋、β-片狀、無規螺旋和短肽組成,它們通過共價鍵和氫鍵形成絲水凝膠的骨架。水凝膠因參雜瞭碳納米管而具有導電性。CSFH有優異的壓縮性、可拉伸性和可彎曲性(圖1b)。圖1c- d說明傳感機理是施加外力時碳納米管之間的力接觸。

施加張力後,內部間隙沿拉伸方向(圖1c(ii))增大,導電路徑減少,電阻增大。初始狀態時,碳納米管之間的路徑增加,電阻降低。

施加外部壓力時,內部間隙顯著減小(圖1c(iii)),更多的碳納米管相互接觸,導電路徑增加,電阻降低。彎曲時(圖1c(iv)),CSFH受到拉伸而產生張力,從而導致阻力的增加。圖1e展示瞭CSFH傳感器的可視化應用, LED燈可按程序在機械運動時點亮,在CSFH彎曲或伸直時其亮度有明顯的波動。CSFH在0.25%木瓜蛋白酶溶液中可降解(圖1f)。

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圖1. 絲蛋白水凝膠(CSFH)可降解機械傳感器。a)碳納米管摻雜絲素蛋白水凝膠的基本結構和材料組成。b)不同變形下CSFH的照片。c)CSFH在變形下的SEM圖像。d)傳感機制的示意圖。e)CSFH傳感器可通過LED的亮度檢測手指狀態。f)CSFH的酶降解。

2. CSFH的機械性能與導電性能表征

作者評估瞭CSFH的機械性能。CSFH可進行至少5個壓縮應力循環(圖2a),同時具有出色的拉伸性(斷裂應變為100%)。

無論樣品處於何種狀態,電流隨電壓線性增加,且初始狀態下的CSFH比拉伸和彎曲狀態下的阻力更小,但比壓縮狀態阻力大(圖2c)。

CSFH具有理想的歐姆特性,說明其可作為非常理想的壓力和應變傳感器。圖2d表明電阻比R/R0隨壓力增大而減小,當壓力小於500 Pa時,壓力傳感器對具有高靈敏度,但在高壓狀態時,壓力靈敏度降低。R/R0值隨拉伸應變的增加幾乎呈線性增加(圖2e)。

作者將該裝置安裝在食指關節以測量傳感器的敏感度,R/R0的值隨著彎曲角度的增加而不斷增加,靈敏度為0.0045/度(圖2f)。

圖2g展示瞭CSFH作為壓力傳感器的即時響應和循環穩定性,其即時響應時間在毫秒范圍內。圖2h說明傳感器具有高耐久性、重復性和穩定性。快速響應和循環耐久性是可穿戴或可植入設備對生理信號實時監測的重要條件。

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圖2. CSFH的力學性能和傳感性能。a)CSFH薄膜的壓縮試驗。b)CSFH薄膜的拉伸試驗。c)不同變形下CSFH的I-V曲線。電阻對d)壓力、e)拉伸應變和f)彎曲角度的響應。g) CSFH傳感器的即時響應。h)CSFH傳感器長期耐久性試驗。

3. CSFH的酶降解

酶交聯CSFH可通過蛋白酶(如木瓜蛋白酶)降解(圖3a),當CSFH與木瓜蛋白酶混合時,絲蛋白的二級結構被破壞,CSFH逐漸退化。木瓜蛋白酶摻雜的CSFH的內部多孔結構組織在降解過程中變得越來越無序(圖3b),外部觸發器可加快該降解過程。壓縮模量和拉伸模量明顯隨降解時間增加而降低,表明木瓜蛋白酶摻雜的CSFH更容易變形(圖3c)。ΔR/R0絕對值不會隨降解而顯著降低(圖3d);相反,由於水凝膠骨架的部分降解和內部多孔結構無序性會略微增加降低CSFH的彈性模量,使CSFH更容易變形,對機械力更敏感,說明CSFH傳感器在整個降解過程中保持其傳感靈敏度,直到完全分解。圖3e顯示溫度對CSFH的降解率的影響大於pH值,且最適合降解的條件是50°C,pH=6。還作者通過參雜金納米粒子(AuNPs)利用激光加熱來加速CSFH的局部降解速率(圖3g)。

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圖3. CSFH的降解/分解特性。a)參雜木瓜蛋白酶的降解機制的示意圖。b)木瓜蛋白酶摻雜CSFH降解過程中的SEM圖像。c)不同降解時間下CSFH的壓縮和拉伸模量。d)降解過程中恒壓(500pa)、張力(20%)和彎曲角度(10°)的電阻響應。e)不同溫度和pH值下的降解/分解速率。f)AuNP摻雜CSFH可見光觸發降解示意圖。g)對CSFH的熱成像處理。

4. CSFH在手語翻譯和生理信號實時監測的應用

作者接著將CSFH應用在手語翻譯和生理信號實時監測。如圖4a所示,在所有手指關節上共安裝14個CSFH傳感器,傳感器根據對話中的字母、單詞和手勢,在簽名時生成特定的關節彎曲信號。圖4a使用每個傳感器的不同顏色映射和手勢的信號模式顯示瞭“水凝膠”一詞的實驗結果。該傳感器還可以檢測語音或關節運動中的生理信號,如ICP和肌肉運動。將CSFH膜夾在兩個電極之間以組裝成壓力傳感器,並植入大鼠顱內空間檢測顱內壓(圖4a)。正常狀態下,阻力值(ΔR)的變化有節律的上下波動,安樂死後變為直線移動,表明正常狀態下ICP的節律性波動與心臟沖動和呼吸有關。該壓力傳感器可監測癲癇期間的顱內壓(圖4b),註射青黴素PNG溶液誘發癲癇後,ΔR值逐漸降低,表明癲癇期間顱內壓升高。CSFH傳感器也可以連接到喉嚨上以監測講話過程中的肌肉運動(圖4c),或固定在膝關節上來測定人體運動,如步行、慢跑和蹲姿(圖4d)。這些實驗證明瞭CSFH傳感器在健康監測方以及在幫助語言障礙患者交流的潛力。

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圖4. CSFH傳感器的電子健康監測。a)使用CSFH傳感器在每個關節上進行手勢識別。b) 通過在顱內空間放置CSFH型壓力傳感器來監測顱內壓。c)CSFH傳感器的語音識別功能。d)步行、慢跑和蹲下的運動識別。

5. CSFH用於治療癲癇病

此外, CSFH傳感器還具有藥物釋放功能,作者選擇癲癇進行驗證。使用CSFH傳感器與微針陣列組合的貼片來進行激光加熱觸發療法(圖5a)。載有藥物苯巴比妥的微針陣列緊密地粘附在CSFH傳感器,然後將貼片貼在鼠背部進行健康監測(圖5b)。該貼片能夠根據運動與健康狀態的信號檢測癲癇是否發作。當癲癇癥狀出現時,激光加熱觸發斑片降解,將苯巴比妥釋放到體內進行治療(圖5c)。在這種光引發的藥物治療10分鐘後,斑片的局部溫度達到42°C,癲癇驚厥明顯緩解(圖5d-e)。

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圖5. CSFH與載藥絲微針結合成可見光觸發的藥物釋放貼片。a)見光觸發藥物釋放機制。b)裸鼠背部貼片照片。c)通過貼片進行可見光觸發治療的流程圖。d)裸鼠背部貼片在激光加熱5分鐘後的熱圖像。e)癲癇的檢測和治療。

【結論】

作者制備瞭一套靈活、可拉伸、可穿戴和可植入的CSFH傳感器,該傳感器有良好的粘附性、剛性和彈性,對人體皮膚和內臟具有良好的機械順應性。這些設備可以應用於人體的許多部位,以實現運動識別和生理信號監測。此外,通過將木瓜蛋白酶與金納米粒子結合,光可以觸發CSFH的降解。該裝置與載藥微針陣列相結合,可對癲癇實時監測和原位治療。該柔性機械傳感提供一個閉環(即“感知和響應”)多功能柔性電子平臺,在將來可應用於軟機器人、臨床治療和檢測患者康復。

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