Одно из передовых направлений — самовосстанавливающиеся биосенсоры в области биоэлектроники. Их характеристики основаны на имитации способности живых организмов восстанавливаться после повреждений. Цель состоит в том, чтобы решить проблемы, с которыми сталкиваются традиционные датчики из-за выхода из строя из-за износа, разрушения или старения материала. Даже если датчик этого типа подвергается физическому повреждению или ухудшению характеристик во время применения, его суть заключается в том, что он может восстановить свою структуру и сенсорную функцию с помощью встроенных интеллектуальных материалов или биохимических механизмов, тем самым значительно повышая надежность, долговечность и возможность долгосрочной имплантации устройства. Это открывает новые возможности для непрерывного мониторинга здоровья, имплантируемых медицинских устройств и интеллектуальных носимых устройств.
Как самовосстанавливающиеся биосенсорные материалы могут достичь самовосстановления
Самовосстанавливающиеся гидрогели, в основном полагающиеся на интеллектуальные материалы для достижения возможностей самовосстановления, в настоящее время являются наиболее важным направлением исследований в этом типе материалов. Этот тип материала вдохновлен способностью природных организмов к самовосстановлению, таких как мидии. После повреждения его можно восстановить с помощью внутренних динамических химических связей или физических взаимодействий. Механизмы ремонта в основном делятся на две категории. Один тип — это химическая сшивка, основанная на динамических ковалентных связях, таких как иминные связи и дисульфидные связи, а другой тип — физическая сшивка, основанная на нековалентных взаимодействиях, таких как водородные связи, ионные взаимодействия и взаимодействия «хозяин-гость». Например, гомогенная обратимая взаимосвязанная полимерная сеть, разработанная исследователями, сочетает в себе координацию катехола и ионов железа, а также иминные связи. Он также проявляет эффективные свойства самовосстановления под водой.
Требования к этим материалам непростые. Они не только должны иметь возможность устранять возможные повреждения механического оборудования, но, что более важно, они должны иметь возможность восстанавливать свои электрические функции, такие как проводимость и чувствительность. Самовосстанавливающийся проводящий гидрогель считается ключевым материалом для гибких электронных устройств, потому что он имеет биологическую структуру, биосовместимость и свойства реагирования на раздражители. В реальном процессе оценки сначала обычно отрезается образец, а затем выполняется операция склеивания. Измеряя соотношение между напряжением разрушения после ремонта и напряжением исходного образца, рассчитывается эффективность заживления напряжений, и на основе этого количественно определяется способность к самовосстановлению.
Почему самовосстанавливающиеся биосенсоры должны иметь автономное питание
Еще одним ключевым атрибутом, который обеспечивает самовосстанавливающиеся биосенсоры, способные к длительной автономной работе, является автономное питание. Традиционные датчики используют внешние батареи, срок службы которых ограничен, их сложно заменять и они имеют потенциальный риск утечки, что ограничивает их использование при долгосрочной имплантации или непрерывном мониторинге. Технология с автономным питанием может получать энергию из окружающей среды или самого пользователя. Например, механическая энергия — это движение тела, а химическая энергия пота или энергия света в окружающей среде преобразуются в электрическую энергию.
Эта энергетическая автономия дает датчику беспрецедентную свободу. Например, сверхгибкие биосенсоры, не требующие внешнего источника энергии, могут лучше прилегать к коже и могут использоваться для точного мониторинга сердечного ритма в режиме реального времени. Что еще более важно, сочетание автономного питания и самовосстановления позволяет датчику теоретически работать бесконечно. Даже если он получит физическое повреждение, его все равно можно будет восстановить из окружающей среды после завершения ремонта. Более того, это закладывает очень важную основу и предпосылку для достижения медицинской концепции «одна имплантация — круглогодичный мониторинг».
Как работает самовосстанавливающийся датчик с автономным питанием?
Принцип работы датчика с автономным питанием и самовосстановлением сочетает в себе две разные функции: сбора энергии и устранения повреждений. Что касается сбора энергии, к основным технологиям относятся трибоэлектрические наногенераторы, пьезоэлектрические наногенераторы и биотопливные элементы. Трибоэлектрические наногенераторы используют эффекты фрикционной электрификации и электростатической индукции для преобразования механической энергии, такой как движение тела и дыхание, в электрическую энергию. Вместо этого пьезоэлектрические наногенераторы работают, используя свойства пьезоэлектрических материалов, которые производят электрические сигналы при нагрузке.
С точки зрения интеграции механизмов самовосстановления и сбора энергии, существуют некоторые инновационные разработки, которые объединяют эти две вещи. Подобно целлюлозному биосенсору, вдохновленному системой гомеостаза листьев, пористая целлюлозная мембрана здесь обладает высокой ионной проводимостью, гибкостью и эффектом самовосстановления после набухания в солевом растворе, а также может сохранять стабильный биологический интерфейс, несмотря на внешнее давление или повреждение. Другой пример — датчик воздушного потока, основанный на испарении воды. В нем используется мембрана из нановолокна лигнина/оксида цинка, которая не только может получать энергию из влажности воздуха для достижения собственной мощности, но и ее материальная структура также обладает определенной приспособляемостью к окружающей среде.
С какими техническими проблемами в настоящее время сталкиваются самовосстанавливающиеся биосенсоры?
Несмотря на то, что перспективы очень многообещающие, самовосстанавливающиеся биосенсоры по-прежнему сталкиваются с множеством технических проблем на пути к крупномасштабному практическому применению. Первое, что существует, — это проблема баланса производительности. Часто существует компромисс между эффективностью самовосстановления материала, механической прочностью, проводимостью или чувствительностью датчика. Для быстрого и эффективного самовосстановления могут потребоваться более динамичные и более слабые молекулярные связи, но при этом придется пожертвовать механической прочностью и долгосрочной стабильностью материала.
Проблемы с надежностью существуют в сложных средах. В практических приложениях датчики будут подвергаться динамическим нагрузкам, изменениям температуры пота и сложным химическим средам, состоящим из биологических жидкостей. Многие современные самовосстанавливающиеся материалы хорошо работают в идеальных лабораторных условиях. Однако в этой меняющейся среде в реальной физиологической среде скорость восстановления, эффективность и функциональная целостность все еще нуждаются в дальнейшей проверке. Подобно датчикам с автономным питанием на основе биотопливных элементов, хотя они и могут использовать такое топливо, как глюкоза в жидкостях организма, они обычно страдают от низкой удельной мощности и плохой стабильности ферментов.
Каковы конкретные сценарии применения самовосстанавливающихся биосенсоров?
В сфере медицины и здравоохранения потенциал применения самовосстанавливающихся биосенсоров чрезвычайно огромен. Что касается носимых устройств, их можно превратить в электронные пластыри, подобные «второй коже», для постоянного мониторинга частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, а также метаболитов (таких как молочная кислота, глюкоза) и электролитов в поту. Даже если оно растянется или поцарапается во время повседневной деятельности, устройство сможет самостоятельно восстановиться, чтобы обеспечить непрерывный мониторинг. Например, датчик воздушного потока с автономным питанием, встроенный в маску, может точно отслеживать характер дыхания в различных условиях.
В области имплантируемых устройств эти датчики являются еще более революционными. Их можно имплантировать в организм человека для мониторинга физиологических показателей и специфических биомаркеров для долгосрочного использования для лечения хронических заболеваний или послеоперационного восстановления. Их свойства самовосстановления обеспечивают их долговременную надежность в организме и позволяют избежать риска функционального сбоя из-за незначительного повреждения и необходимости хирургической замены. Кроме того, в области мягких роботов, электронной кожи и интерфейсов «мозг-компьютер» такие датчики, которые могут измерять давление, температуру и самовосстанавливаться, также являются ключом к достижению следующего поколения взаимодействия человека и компьютера.
Какова будущая тенденция развития самовосстанавливающихся биосенсоров?
В будущем самовосстанавливающиеся биосенсоры будут развиваться в направлении более глубокой функциональной интеграции и интеллекта. Основной тенденцией является разработка многофункциональных интегрированных интеллектуальных материалов. Такие материалы будут обладать многими возможностями, такими как высокая чувствительность, эффективный сбор энергии, быстрое самовосстановление и беспроводная передача сигналов. Пересечение материаловедения, биоинженерии и микроэлектроники станет ключом к достижению этой цели.
Еще одним ключевым и важным направлением является усиление экологической адаптивности и биосовместимости. Сенсоры в будущем будут все больше напоминать живую биологическую систему, активно корректирующую свое состояние для адаптации к различным динамическим изменениям внутри и снаружи тела, подобно тому, как листья поддерживают гомеостаз. В то же время использование экологически чистых материалов, таких как лигнин, которые полностью биоразлагаемы или получены из природы, для изготовления датчиков также является неизбежной тенденцией к сокращению электронных отходов и достижению устойчивого развития. Мы надеемся, что благодаря прорывам в этих технологиях мы вступим в новую эру, в которой медицинское оборудование и человеческое тело будут легко интегрироваться и гармонично сосуществовать. Предоставляйте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
По вашему мнению, если самовосстанавливающиеся биосенсоры действительно должны быть интегрированы в повседневную жизнь, в дополнение к самой технологии, какие ключевые прорывы необходимы с точки зрения политики и регулирования, производственных затрат, общественного признания и т. д.? Не стесняйтесь поделиться своими мыслями в области комментариев.
Добавить комментарий