材料與生物體之間的力學及電學性能的匹配是目前可植入器件研究中的一個重要問題，良好的匹配性可有效降低免疫反應并起到良好的生物信號調節作用。針對此需求，上海科技大學凌盛杰課題組提出了一種濕法紡絲與后道工序機械訓練相結合的方法，制備得到了力學性能與電學性能靈活可調的多級結構海藻酸鈣纖維（AHIF），并設計出一種非接觸式電信號識別模型，可用于對植入器件的狀態監測。
動物絲和組織纖維等天然纖維中的高取向分子網絡結構已被廣泛證明是其優異力學性能的來源。以此為靈感，可通過拉伸的方式賦予高分子纖維類似的結構。然而由于應力松弛，拉伸過程中形成的高取向分子網絡結構無法保留。為了保留高取向分子網絡結構，本研究采用了一種力學訓練策略，即對紡絲制備的AHIF施加重復的機械載荷以觸發其分子網絡沿載荷方向重新取向。所制得的AHIF具有穩定的分子網絡取向和宏觀取向的類天然纖維（如柞蠶絲等）的多級微纖結構（圖1）。
圖1 AHIF的制備方法（A-D）及其結構（E）和形貌（F-H）
本研究中所制備的AHIF具有良好的力學可調控性，其力學性能可通過控制機械訓時間來調控。在力學訓練過程中，實現了纖維模量從0.1 MPa~5 MPa范圍的調控。該模量數值范圍涵蓋一系列組織，如肺、肌肉和皮膚等，展現出與各種人體組織力學匹配的可行性。與含水量相當的海藻酸鹽水凝膠相比，機械訓練所得到的AHIF在延展性和模量之間的平衡方面的也更具優勢（圖2）。此外，所制備的AHIF具有良好的生物相容性，體現出可植入的潛力（圖3）。
圖2 AHIF的力學性能及與其它材料、生物組織的力學對比。
圖3 AHIF顯示出良好的生物相容性
由于鈣離子和水的存在，AHIF具有良好的導電性，是一種離子導體材料，在外加磁場下可產生電信號。研究中設計了一種非接觸式的電信號發生器模型，其信號會根據AHIF的布局形式、幾何結構及所受張力的變化而變化。通過機器學習對AHIF在不同狀態下所引發信號變化進行學習，可對信號進行準確判定，從而實現對可植入的AHIF設備在生物體內的狀態監控（圖4）。
綜上所述，本研究報告了一種力學性能可控的離子導體纖維，較寬力學性能調控范圍可實現其與不同生物組織器官的力學匹配。此外，AHIF良好的生物相容性與導電性。利用非接觸式可植入式電信號發生器原理，通過機器學習的方式可進一步實現對所植入的AHIF器件狀態的監控。該設計模型在生物傳感器、智能感知及人機交互等領域具有一定的參考性及應用潛力。
相關論文以題為“Mechanically and electrically biocompatible hydrogel ionotronic fibers for fabricating structurally stable implants and enabling noncontact physioelectrical modulation”為發表在《Materials Horizons》上。
此工作中材料及器件的設計制備，機器學習方案由上海科技大學凌盛杰課題組完成；復旦大學附屬中山醫院江立波課題組提供生物實驗部分支持；加州大學伯克利分校的Chun-Teh Chen提供了分子動力學模擬相關結果。
全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00296E
