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(fā)已經(jīng)取得了相當大的進展，但大多數(shù)可穿戴設備和電子皮膚只能滿足監(jiān)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(fā)降解也是柔性器件的幾大挑戰(zhàn)。
蠶和蜘蛛產(chǎn)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(nèi)保留其功能性和生物活性功能。
中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陶虎團隊在Advanced Science上發(fā)表了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，它用于可穿戴或植入體內(nèi)。
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%，并且具有良好的剛性和彈性。由于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，因此它可用于感測壓力和應變以及區(qū)分不同的行為狀態(tài)。作者展示了這些設備在手語翻譯和監(jiān)測生理信號（如顱內(nèi)壓（ICP）和言語或關節(jié)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(jiān)測癲癇并進行原位治。
【結果與展示】
1. CSFH的結構與性能表征
圖1a展示了CSFH的基本結構和材料組件。絲蛋白由α-螺旋、β-片狀、無規(guī)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。水凝膠因參雜了碳納米管而具有導電性。CSFH有優(yōu)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。
施加張力后，內(nèi)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(tài)時，碳納米管之間的路徑增加，電阻降低。
施加外部壓力時，內(nèi)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(chǎn)生張力，從而導致阻力的增加。圖1e展示了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）。
2. CSFH的機械性能與導電性能表征
作者評估了CSFH的機械性能。CSFH可進行至少5個壓縮應力循環(huán)（圖2a），同時具有出色的拉伸性（斷裂應變?yōu)?00%）。
無論樣品處于何種狀態(tài)，電流隨電壓線性增加，且初始狀態(tài)下的CSFH比拉伸和彎曲狀態(tài)下的阻力更小，但比壓縮狀態(tài)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，當壓力小于500 Pa時，壓力傳感器對具有高靈敏度，但在高壓狀態(tài)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(jié)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展示了CSFH作為壓力傳感器的即時響應和循環(huán)穩(wěn)定性，其即時響應時間在毫秒范圍內(nèi)。圖2h說明傳感器具有高耐久性、重復性和穩(wěn)定性?？焖夙憫脱h(huán)耐久性是可穿戴或可植入設備對生理信號實時監(jiān)測的重要條件。
3. CSFH的酶降解
酶交聯(lián)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(nèi)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(fā)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，由于水凝膠骨架的部分降解和內(nèi)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的降解率的影響大于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）。
4. CSFH在手語翻譯和生理信號實時監(jiān)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(jiān)測。如圖4a所示，在所有手指關節(jié)上共安裝14個CSFH傳感器，傳感器根據(jù)對話中的字母、單詞和手勢，在簽名時生成特定的關節(jié)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了“水凝膠”一詞的實驗結果。該傳感器還可以檢測語音或關節(jié)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，并植入大鼠顱內(nèi)空間檢測顱內(nèi)壓（圖4a）。正常狀態(tài)下，阻力值（ΔR）的變化有節(jié)律的上下波動，安樂死后變?yōu)橹本€移動，表明正常狀態(tài)下ICP的節(jié)律性波動與心臟沖動和呼吸有關。該壓力傳感器可監(jiān)測癲癇期間的顱內(nèi)壓（圖4b），注射青霉素PNG溶液誘發(fā)癲癇后，ΔR值逐漸降低，表明癲癇期間顱內(nèi)壓升高。CSFH傳感器也可以連接到喉嚨上以監(jiān)測講話過程中的肌肉運動（圖4c），或固定在膝關節(jié)上來測定人體運動，如步行、慢跑和蹲姿（圖4d）。這些實驗證明了CSFH傳感器在健康監(jiān)測方以及在幫助語言障礙患者交流的潛力。
5. CSFH用于治療癲癇病
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(fā)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，然后將貼片貼在鼠背部進行健康監(jiān)測（圖5b）。該貼片能夠根據(jù)運動與健康狀態(tài)的信號檢測癲癇是否發(fā)作。當癲癇癥狀出現(xiàn)時，激光加熱觸發(fā)斑片降解，將苯巴比妥釋放到體內(nèi)進行治療（圖5c）。在這種光引發(fā)的藥物治療10分鐘后，斑片的局部溫度達到42°C，癲癇驚厥明顯緩解（圖5d-e）。
【結論】
作者制備了一套靈活、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(nèi)臟具有良好的機械順應性。這些設備可以應用于人體的許多部位，以實現(xiàn)運動識別和生理信號監(jiān)測。此外，通過將木瓜蛋白酶與金納米粒子結合，光可以觸發(fā)CSFH的降解。該裝置與載藥微針陣列相結合，可對癲癇實時監(jiān)測和原位治療。該柔性機械傳感提供一個閉環(huán)（即“感知和響應”）多功能柔性電子平臺，在將來可應用于軟機器人、臨床治療和檢測患者康復。
