上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰課題組成功制備出具有多級結(jié)構(gòu)得海藻酸鈣纖維（AHIF），實現(xiàn)了對其力學(xué)、電學(xué)性能得靈活可調(diào)，有望用以匹配不同得生物應(yīng)用場景；并進一步開發(fā)了一種非接觸式電信號識別模型，在結(jié)合機器學(xué)習(xí)后，其能夠準(zhǔn)確識別可植入AHIF器件狀態(tài)。該成果發(fā)表于期刊Materials Horizons。
圖1 濕法紡絲（A）結(jié)合機械訓(xùn)練（B）制備海藻酸鈣纖維
可植入材料與生物組織器官之間力學(xué)及電學(xué)性能得匹配對于可植入器件研究至關(guān)重要，良好得匹配可有效降低免疫反應(yīng)，有助于發(fā)揮生物信號調(diào)節(jié)作用。本項研究中，研究人員在AHIF濕法紡絲過程中同時采用了離子螯合和機械訓(xùn)練技術(shù)。利用該方法制得得AHIF中保留了高取向分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定得分子網(wǎng)絡(luò)取向與宏觀取向得多級微纖結(jié)構(gòu)（圖1，2），實現(xiàn)了優(yōu)異力學(xué)性能。
圖2 AHIF得形貌及結(jié)構(gòu)表征
通過實驗和計算機模擬，研究人員系統(tǒng)驗證了機械訓(xùn)練誘導(dǎo)下AHIF得硬化、強化以及增韌效果及機制，成功實現(xiàn)了在0.1-5 MPa范圍內(nèi)對海藻酸鈣水凝膠模量得調(diào)控。該模量數(shù)值范圍涵蓋一系列生物組織，包括肺、肌肉和皮膚等（圖3），可適用于不同生物應(yīng)用場景。此外，生物相容性和降解性實驗表明AHIF具有良好得生物安全性。
圖3 （A）機械訓(xùn)練過程中對AHIF力學(xué)及結(jié)構(gòu)變化（X射線小角/廣角散射）監(jiān)測。（B）AHIF與其它生物組織及軟生物材料之間得力學(xué)性質(zhì)對比。
由于內(nèi)部鈣離子和水得存在，AHIF呈現(xiàn)優(yōu)異得離子導(dǎo)電性，在外加磁場下可產(chǎn)生電信號。研究人員進一步設(shè)計了一種非接觸式得電信號發(fā)生器模型，結(jié)合機器學(xué)習(xí)對處于不同條件下（布局形式、幾何結(jié)構(gòu)及受到不同張力）得AHIF激發(fā)得信號進行學(xué)習(xí)后，可實現(xiàn)對AHIF狀態(tài)得準(zhǔn)確判定。該模型有助于監(jiān)測植入得AHIF器件在生物體內(nèi)得情況，在生物傳感器、智能感知及人機交互等領(lǐng)域具有一定得參考價值及應(yīng)用潛力。
圖4 非接觸式電磁感應(yīng)結(jié)合機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對可植入器件得幾何結(jié)構(gòu)和張力狀態(tài)得監(jiān)測。
該成果題為“Mechanically and electrically biocompatible hydrogel ionotronic fibers for fabricating structurally stable implants and enabling noncontact physioelectrical modulation”。上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰課題組碩士研究生陳智昊為論文得第壹，凌盛杰教授為通訊，上海科技大學(xué)為第壹完成單位。
上海科技大學(xué)
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