柔性超薄有機感測器：可迅速檢測炎症！
背景
不同於硅等材料製成的無機半導體，有機半導體則通常是由有機材料製成，它們往往可以彎曲或者拉伸。為了讓大家對有機半導體有一個更直觀、更具體的認識，首先帶大家回顧一下筆者介紹過的三個典型案例：
1）美國斯坦福大學的科研人員研製的柔性、有機、可生物降解的電子設備。它不僅環保，而且具有極佳的生物相容性，因此可用於可穿戴電子設備、植入式設備等領域。
（圖片來源：斯坦福大學 / Bao lab）
2）美國麻省理工學院開發出一種柔性、透明的有機太陽能電池，它結合了低成本的有機材料（含碳）與柔性、透明的石墨烯電極。
（圖片來源：MIT）
3）韓國科學技術院的科研團隊研發出一種超柔性的有機閃速存儲器，不僅與現有工業標準的編程電壓相同，而且數據預計保留時間相當長，將有利於柔性可穿戴電子設備與智能紙張的發展。
（圖片來源：KAIST）
一般來說，膜越薄，其彎曲能力就越強。除了彎曲能力以外，更薄、更小的設備的響應時間也更快。對於需要即時信息的感測器應用來說，這一點顯得特別重要。具有超級柔性的感測器是時下非常受歡迎的研究領域，其應用包括電子產品、智能感知等。
創新
近日，香港大學（HKU）的研究團隊，在該校機械工程系博士陳國梁（Paddy Chan Kwok-leung） 領導下，與外科手術系教授梁嘉傑（Gilberto Leung Ka-kit）、外科學博士曾震安（Anderson Tsang Chun-on）、藥理學與藥劑學系徐愛民（Xu Aimin）教授合作開發出一種集成到醫用導管中的C-反應蛋白（CRP）感測器，可直接感測C-反應蛋白。
下圖所示：研究成員（左起）計旭東先生、陳國梁博士及梁嘉傑教授。
（圖片來源：香港大學）
下圖所示：a) 植入到血管中的醫用導管和C-反應蛋白感測器的概念圖。b) 感應電流變化與C-反應蛋白濃度之間的關係。
（圖片來源：香港大學）
近日，這項研究的成果在期刊《先進科學（Advanced Science）》上發表。
技術
血液中的C-反應蛋白濃度是反映患者炎症水平的一項重要指標。目前，通過血液分析的檢測方法，無法為患者提供實時信息。為了持續監測人體內某些蛋白質或者標記物水平的變化，最普通的方法就是定期抽血化驗。然而，每次化驗至少需要幾小時甚至更長的時間，並且無法提供實時信息。目前，陳博士的團隊開發的有機感測器可以實時測量生物信息，而且只需要非常少量的樣本。
過去，開發厚度低於1微米（約為亞洲人頭髮直徑的1/50）的超薄柔性感測器的製造工藝極具挑戰性。在沉積或者轉移的過程中，這些超薄感測器非常容易出現褶皺或破損。為了保護感測器，使之在遭遇極端環境（例如高溫、潮濕等）時可以正常工作，如何沉積封裝層又成了另一個障礙。
香港大學研究團隊開發的C-反應蛋白感測器，只是這種超薄感測器概念演示的一個案例。其他感測器，例如神經遞質感測器、細菌感測器也可以用於演示這種感測器概念。除了靈敏度高與響應時間快之外，另外一項主要的成果就是超薄、超柔性的感測器可以兼容醫院中採用的標準消毒程序。
陳博士的團隊開發的「膠囊般」的CTYOP封裝層，讓設備可以承受住高壓、高溫與潮濕的環境。通過採用厚度僅為250納米的CTYOP膠囊，該設備可以經受達30分鐘的沸水或蒸汽消毒，而且不會出現性能退化。
下圖所示：a) 感測器在100度蒸汽消毒前後的狀態。b) 30分鐘100度蒸汽消毒後感測器遷移率和閾值電壓的變化(器件的性能指標)。
（圖片來源：香港大學）
這種兼容消毒程序的能力，使得該設備可以配合其他醫療器械一起在無菌手術室中使用。為了將感測器轉移到不同的醫療設備上，陳博士團隊的博士生計旭東先生採用了親疏水雙層塑料基底。當接觸到水的時候，它能夠很容易地與玻璃支撐物分離。這種浮動特性使得感測器更容易轉移到不同的基底或者物體上，而且更重要的是，在不同物體之間轉移時，設備的性能不會出現退化。
下圖所示：超薄感測器轉移到動脈瘤夾，3D列印的心臟以及在放鬆和壓縮狀態的皮膚上的照片。比例尺為5毫米，放大圖中的比例尺為500微米。
（圖片來源：香港大學）
價值
這種有機感測器總厚度不足1微米（約為亞洲人頭髮直徑的1/50），顯著地節約了取樣和數據採集時間，從目前的幾個小時縮短至10分鐘以下。換句話說，炎症的測試與治療可加速30倍。實時讀取信號非常有利於醫生即刻採取必要的治療措施。
陳博士團隊研發的這種柔性電子設備，從概念上演示了實時測量生物信息。這種設備可感知的C-反應蛋白濃度低至 1ug/mL，足以分辨病人的健康狀況。
未來
未來，陳博士及其團隊將會將神經遞質和壓力感測器集成到現有的導管上，進一步提升設備的感測能力。團隊也將開發一個用於動物臨床測試的感測器平台。除了用於血液的C-反應蛋白感測器，團隊也在計劃測量其他的生物標記物，特別是神經遞質或者來自腦脊髓液的其他信息，用來為頭部創傷和中風的患者提供有價值的實時信息。
來自香港大學工程學院和李嘉誠醫學院的研究團隊也在致力開發一個大數據系統，測量和監控來自大腦或者身體其他部位的有價值的生物醫療信息。一旦能夠利用這些低成本感測器獲取到這些數據，團隊希望實時監測的信號可以讓醫生立即採取措施幫助患者康復。
關鍵字
醫療、感測器、有機電子
參考資料
【1】https://www.hku.hk/press/news_detail_18072.html
【2】Xudong Ji, Pengcheng Zhou, Ling Zhong, Aimin Xu, Anderson C. O. Tsang, Paddy K. L. Chan.Smart Surgical Catheter for C-Reactive Protein Sensing Based on an Imperceptible Organic Transistor. Advanced Science, 2018; 5 (6): 1701053 DOI: 10.1002/advs.201701053
TAG:IntelligentThings |