Advanced Materials:突破生物信息的超灵敏提取——化院冯章启课题组实现机体微压的在线监测与分析

新世纪,人体生物信息的高精度提取已成为下一代医学、生物技术革命的关键环。而对机体生理压力时变的绝对测量可以为压力相关急、慢疾病的早期诊断和术后追踪提供直接依据,特别是针对心血管疾病以及呼吸系统疾病患者。为此,南京理工大学化工学院冯章启课题组致力于开发各类植入式纳米机电耦合器,试图通过原位监测心血管以及呼吸横膈膜的节律性应力变化来构建心血管疾病和呼吸系统疾病的超前预测和实时追踪的新方法。最新研究近期以题为“High-Performance PolyvinylideneDifluoride/Dopamine Core/Shell Piezoelectric Nanofiber and Its Application for Biomedical Sensors”发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202006093)杂志上,第一作者为博士生李通同学。

该研究报告了通过一步法制备高性能有机“力-电转换”生物电子纳米纤维的新策略。其通过调控PVDF分子在纳米尺度上的自组装行为,将PVDF完全定向为极化取向的压电β相,从而实现PVDF的高压电和超灵敏性能。这种独特的自组装过程是通过PVDF-多巴胺(DA)界面电荷相互作用实现的,由此产生的核/壳纳米纤维结构对于PVDF分子的对准极化和实现长期相位稳定性至关重要。该生物电子纤维展现出优良的生物相容性和耐疲劳性。利用该生物电子纤维组装成全柔性微机电传感器。其不仅可以作为可穿戴压力传感器,用于体表颈动脉、桡动脉和心脏波动的在线监测,分析各类血管弹性、回流指数等重要心血管指标。更重要的是,该传感器可以长期植入机体内,不产生严重组织炎症和免疫响应,用于在腹腔隔膜和股动脉等处连续监测呼吸系统和心血管系统在常态和病态下的压力变化情况,进而记录心血管和呼吸疾病所导致的体内微压波动,实现高灵敏识别和追踪心血管和呼吸疾病病理变化进程的目的。该研究目前已经在东部战区总医院、东南大学生物电子学国家重点实验室等单位的协助下顺利完成了为期2年的动物临床学研究,并建立了系统的临床学测试标准和生物环境参数。这种实时监测体内微应力变化的强大功能,同样可以广泛地用于评估其他与体内生理压力相关的急慢性疾病,例如脑损伤、脑积水、肿瘤再生、青光眼肺结核、甚至肺气肿等。同时,这种高性能的全柔性微机电系统也可用于从机体器官中收集动能并产生有用的电刺激,进而促进机体组织的修复和再生以及相关生理电信号的调制。这一研究成果标志着我校在生物信息与生物电子这一全新领域迈出坚实一步,为我校新前沿交叉学科的发展奠定了基础。 该研究在国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金支持下完成。