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天津大学黄显教授在多通道柔性生物电子器件方面取得突破
发布时间:2018-07-16

  将电子传感器与人体内器官完美融合,实现体内生物分子的高通量测量,这似乎是未来文明才能达到的科技水平,如今柔性电子技术的发展使得这一技术变为现实。

  近日,天津大学精仪学院生物医学与科学仪器系教授黄显在多通道柔性生物电子器件方面取得突破,实现与生物高效融合的多通道柔性生物电子器件,相关研究成果已发表在材料领域国际权威学术刊物《先进材料》(《Advanced Materials》)(影响因子19.791)并被本期(Volume 30, Issue 23)杂志选为封底文章(back coverpage)进行重点推荐,文章标题为Materials and Techniques for Implantable Nutrient Sensing Using Flexible Sensors Integrated with Metal-Organic Frameworks,论文出版的网址为https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800917。该论文第一作者是天津大学柔性生物电子和高通量测试技术实验室的硕士研究生凌伟,该实验室青年教师徐航和黄显教授为本文的共同通讯作者。

  

  植入式柔性传感器通过实时在体的测量人体和组织器官的各种参数,揭示各种生物过程,辅助疾病诊疗。柔性电子器件对人体的组织伤害小,能够适应组织的表面形貌和复杂的内部构造。因此测量的准确性、稳定性和重复性都较传统刚性的传感器高。

  目前柔性植入式传感器的制备工艺较为复杂,且多以物理量测量为主。柔性电子器件在化学量测量中的分辨率和特异性较传统刚性器件并不具有优势。利用化学性质优异且性能可调控的功能性材料,可完善和提升柔性生物电子器件的化学量测量功能。因此发展新颖可控的电极修饰材料,实现靶向识别具有重要的研究意义。

  另外,柔性电子器件缺乏高通量多通道多参量多器官和多位点的同步测量能力,无法在系统层面揭示物质与信号在各器官和组织中的全局传输和分布。因此,它们在一些复杂且分布广泛的成分如蛋白质和神经递质等化学量的测量上还有局限性。

  为解决上述技术难题,黄显提出了高通量柔性生物电子器件的概念,利用多通道分布式柔性传感器,同步测量不同组织部位的生理参数。该传感器表面修饰了实验室开发的具有高表比面积和电化学催化能力的金属有机框架材料(MOFs),首次实现了刚性MOFs材料与柔性电子器件的结合。

  在该研究中,该团队通过将刚性的脆性MOFs材料纳米化,成功实现了具有柔性的MOFs功能性薄膜。将MOFs材料的多孔性、极大的比表面积和化学特性可调节等特性赋予柔性传感器,使得该柔性植入性传感器展现良好的识别能力,可多通道识别抗坏血酸、L-色氨酸和葡萄糖等人体所需的营养物质。该传感器还具有良好的生物兼容性,活体小鼠实验表明,其可以有效地监测上述营养物质在小鼠器官中的分布状况,有助于整体判断小鼠的健康状况,为日后监测人体营养健康状况提供了基础。

  该工作不仅拓宽了柔性植入式传感器电极材料的选择范围,而且通过结构可知可控的MOFs材料的引入,加深了从分子层次对传感器性能的理解,并提供了从分子层次设计具有靶向识别传感器的可能性。本研究成果大幅提高了柔性传感器的性能,利用柔性电子可形变适应测量环境和测量部位的能力并结合MOFs材料的化学物理特性,发展高通量多部位和高稳定性的柔性器件,可测量生物分子在不同组织中的分布,从而揭示生命过程和疾病发展和诊疗机理,具有十分重要的科学意义和潜在应用价值。

  黄显博士,天津大学生物医学与科学仪器系教授,博士生导师。2011年获得美国哥伦比亚大学机械工程专业博士学位,2011-2014年在美国伊利诺伊大学从事博士后研究,2014-2016年担任美国密苏里科技大学的助理教授。2015年入选中组部千人计划青年项目,获天津大学北洋学者和天津市青年千人称号。主要研究方向是基于柔性电子的生物医学检测技术,长期从事柔性可延展电子系统设计、材料、加工和测试等方面的研究。已在包括Science、Nature Communication、Advanced Materials等本领域著名学术期刊会顶级国际会议发表论文60篇,论文总引用数达到3000余次。

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