分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
膝关节置换术是一种常见的手术，每年的手术量超过100万台，但置换后的膝关节内可能存在压力不平衡等问题，导致10%以上的患者对手术效果不满意。术中膝关节内的压力分布监测对提高手术效果十分关键。离电型柔性传感器以其高灵敏、大量程的优点，成为膝关节内压力监测的理想器件，但这类器件中离子凝胶的吸湿性与低模量限制了其在膝关节这种湿润、高压环境中下的应用。
针对这一问题，南方科技大学材料科学与工程系郭传飞教授团队合成一种湿度不敏感、强韧离子凝胶，并把这种材料作为离电型柔性压力传感器的敏感材料，用于膝关节内的压力监测。该材料具有硬相-软相相分离结构，通过前驱体的疏水转变获得。除了其湿度不敏感特性，硬相和软相之间的相互作用使得其具有高强高韧的特性。基于该离子凝胶的离电型柔性压力传感器，其传感特性不受湿度影响，在2 MPa的压力范围内具有高线性响应和高的压力分辨率。团队展示了这种器件阵列在膝关节内湿润、高压环境下实时监测关节内压力分布的能力，相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review），南方科技大学博士生石君利和硕士生谢赛为论文的共同第一作者，郭传飞教授为通讯作者。
图1、该研究涉及的材料、器件和膝关节内压力分布测试应用
湿度不敏感、高强高韧离子凝胶的合成
研究人员利用聚合产物在离子液体中的相容性差异，通过调控丙烯酸乙酯（EA）与丙烯腈（AN）的比例来控制离子凝胶的相分离程度，并利用透射电镜、红外-原子力显微镜等表征测试其相分离结构的形貌。水溶性的AN单体在聚合过程发生疏水转变，得到非吸湿性离子凝胶，其机械性能与电学性能均不受环境湿度的影响。
图2、湿度不敏感、高强高韧离子凝胶的结构与性能：（a）-（c）基于不同单体的离子凝胶结构示意图。（d）不同组分离子凝胶的透射电镜形貌与（e）红外-原子力显微镜形貌。（f）非吸湿性离子凝胶的接触角。（g）离子凝胶的拉伸应力-应变曲线及（h）其与其他组分凝胶机械性能的对比。（i）-（j）不同湿度下离子凝胶的机械性能与电学性能变化。
离电型柔性压力传感器的传感性能
基于该离子凝胶的柔性压力传感器具有湿度不敏感的特点，其灵敏度及线性度（~2.47 kPa-1，R2 = 0.999）在不同湿度下展现出良好的一致性。高灵敏的特点赋予传感器极高的角度分辨率和压力分辨率，这对于术中关节内的压力准确监测十分重要。由于传感器采用了应变不敏感的可拉伸岛-桥结构，且内部界面均通过化学键合的方式实现强韧粘接，这种器件在20%横向拉伸应变下没有响应，避免了横向应变带来的干扰，且可在高剪切力工况下稳定服役。
图3、压力传感阵列的传感性能：（a）传感器不同湿度下的电容-压强曲线。（b）角度分辨率测试示意图；压力传感器的（c）角度分辨率与（d）压力分辨率。（e）阵列中不同阵点的灵敏度与线性度分布统计图。（f）压力传感阵列的拉伸形貌及模拟。（g）传感器不同应变条件下的电容-压强曲线。（h）传感器内部界面示意图。（i）器件内部界面的界面韧性。（j）器件摩擦循环过程中的电容信号变化曲线。（k）摩擦循环后器件的剖面扫描电镜图。（i）加速老化过程中器件的灵敏度与线性度变化。
膝关节内压力监测系统
研究人员将两个传感阵列通过骨钉固定在胫骨表面，并利用数据采集系统实时监测胫骨与股骨间的压力分布变化。在胫骨从外侧向踝关节侧缓慢旋转的过程中，胫骨两侧传感阵列的信号变化表明两侧压力值始终保持互补。此外，研究人员通过实时监测系统展示了膝关节九种不同姿态下的压力分布，这种可视化系统可以为关节内压力分布与平衡状态提供直观的视觉信息。该系统有望应用于临床手术，辅助校准关节内的压力平衡，减少术后并发症。
图4、实时监测系统：（a）关节内压力监测系统示意图。（b）传感器贴附于胫骨的示意图及实物图。（c）数据采集电路。（d）监测系统实物图。（e）扭转胫骨时两侧合力变化曲线。（f）不同关节角度下的压力分布。
扩展阅读
