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上海医疗展,2017上海医疗器械展览会,中国医疗展,www.china-medexpo.com

 

在现代医学中,有很多方法可以检查身体。比如,通过测心率和血压来评估心脏机能;通过验血检测铁含量来诊断是否贫血。但医学的监测手段远没有做到无孔不入。
肌肉与髋关节的诊断往往很复杂,而且价格不菲。而且,人一旦意识到这些部位有所不适,往往为时已晚。较深的伤口与手术内切口情况也是如此。

 
浸入纳米材料的传感线头可以监测人体机能


萨米尔·松库西尔(Sameer Sonkusale)在塔夫茨大学(Tufts University)工程实验室时就曾考虑过,是否有可能发明这样一种传感器,它可以无缝植入人体,并且能在体外接收到实时监控信息。如果可能,那么首先它不能引发感染或机体免疫反应。同时,这种传感器在嵌入之后还不能影响组织的正常机能,比如肌肉的拉伸性。如果这种传感器还能量产,而且价格不贵,那就再好不过了。

萨米尔从传感器的材料开始研究,最终发现了一种理想候选物——线,就是衣服纺织线那种。线有很多优点,它廉价、便于制造又无处不在。而且线还富有柔性与张力,机体对某些材料的线还没有排斥反应。另外,经常缝合伤口的医生操控起线来也是游刃有余。那么,如果我们能够把传感器嵌入细线之中会怎样呢?

寻找传感器

现今的医学传感器都是平面型的,并且是刚性的,这就导致它们无法监测皮肤等组织。但很多器官和组织都是三维的多层生物结构。监测这些组织就需要线这样的传感器。

 
用浸有液体的细线缝合伤口
 

纳米材料可以是有机的也可以是无机的,可以具有生物活性也可以是惰性的,它还可以被设计成具有某些物理化学特性的医学传感器,比如,多样性的碳纳米管。它的导电性是可以定制的,也正因如此,碳纳米管正逐渐成为新一代传感器和晶体管的基体材料。此外,碳纳米管还可以监测DNA和蛋白质单分子。有机纳米聚苯胺同样有广泛应用,它最显著的特性就是其导电性取决于环境的酸碱度。

传感线头

萨米尔研制传感线头的工作始于棉线——将普通线头浸入含有不同纳米材料的液体,然后迅速将其烘干。这些线头的性能取决于溶液中纳米材料的特性。

比如,将具有碳纳米管和硅涂层的柔性橡胶纤维制作成传感线头,它就可以检测物理应力。当这种传感线头受到拉伸时,它的导电性就会改变,我们就能够在机体外部检测到这种变化。把它植入人体,它就可以用来监测伤口愈合和肌肉拉伤状况。当有异常应变发生时,说明伤口在缓慢愈合,或者装置放置不当。这就可以及时提醒医生和患者做出相应调整。

将一根线头涂覆碳纳米管和聚苯胺纳米纤维,另一根涂覆银和氯化银,检测两根线头间的电流强度可以检测组织酸度,这是判断伤口是否受感染的重要依据。

葡萄糖氧化酶跟葡萄糖反应会产生电信号,因此涂覆葡萄糖氧化酶的传感线头就可以监测人体血糖水平。同样的道理,在导电线头中涂覆其他一些纳米材料还可以监测血液中的钠、钾含量,它们是血液代谢的标志物。

 
用物理化学方法做成的智能线头可以将检测信息传送到皮肤表面的发射器上

用途广泛

除了感应能力,很多材料的线头还有一个有用特性:芯吸。它可以利用毛细效应疏导液体,跟灯芯输运液蜡维持火焰是一个道理。

棉线可以将细胞间隙的液体输运到体内各处的传感线头。传感线头将电信号传递给皮肤外表的一个装有纽扣电池和小天线的弹性装置。该装置将信号放大并且数字化,最后将信号无线传输给智能手机等设备。

这种小型化的传输-感应-发射系统的电力,仅需皮肤表面的一块小电池就能供应,或者不用电池,仅仅依靠患者血液内的葡萄糖来供应能量。这样,医生就可以持续地对患者的健康状况进行远程监控。

这种集成化的无线监控系统有很多优势。首先,患者更自由了,没必要非得住院。其次,实时收集的数据为医生提供了更准确的参考信息。另外,它还降低了医疗成本。
目前,纳米浸入式线头已经在无菌实验室中对啮齿类动物进行了试验。下一步要做的是对动物做进一步试验,以检验传感线头在活体组织内的长期表现。之后,我们会对人体组织进行试验。

线头有很广泛的应用前景,萨米尔现在正在做更深入的研究。糖尿病患者的伤口有难以愈合的风险,这可能会导致感染,甚至截肢。用传感线头缝合则可以让医生在早期就发现问题,并及时做出反应以防止病情进一步恶化。传感线头还可以做成绷带、伤口敷料甚至医院床单,它可以在病情失控前就发出预警。

 


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