原标题：AFM总述报导：多功用纤维在生物医学范畴有哪些运用？

【布景介绍】

说起多功用纤维，咱们可能会问什么是多功用纤维？可是，说起医用纱布、手术缝合线等一维（1D）构型的生物医学器材，咱们就不陌生了，因为它们已在临床上被广泛的运用。跟着纳米、电子、资料等技能的快速开展，使得这些纤维取得实时监测生理信号、药物投递、记载和影响神经等新的功用。因而，这些多功用纤维促进了下一代可穿戴和可植入生物医学设备的开展。比照2D和3D的可穿戴、可植入设备，1D多功用纤维构成的设备更易小型化、柔性化和有好的生物兼容性，且易与人体界面进行适形触摸等长处。在此基础上，十分有必要对多功用纤维在生物医学设备范畴的运用进行扼要的总结。

【作用简介】

近来，哈佛医学院的Ye Zhang、Jinjun Shi和复旦大学Huisheng Peng（一起通讯作者）一起总结并报导了近年来新式多功用纤维资料及其制备技能的研讨进展，要点介绍了它们在可穿戴和可植入生物医学设备中的运用。此外，作者还评论了这一新式范畴的机会和应战。相关作业以标题为“Multifunctional Fibers to Shape Future Biomedical Devices”宣布在Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

首要，作者依据不同的制备技能分类扼要描绘了多功用纤维。现在，常用的多功用纤维首要是下面三种，分别是导电碳基纤维、水凝胶纤维和多功用聚合物纤维。

1、导电碳基纤维：首要是石墨烯和碳纳米管（CNT）纤维。尽管石墨烯纤维具有高导电性，但其机械强度相对较低。而碳纳米管（CNT）不只重量轻、柔性好、机械强度和导电性高，并且还具有优异的可拉伸性和杰出的生物相容性。因而，CNT纤维是首要的纤维电子生物医学设备。

2、水凝胶纤维：水凝胶是一种高吸水性的三维聚合物网络，其结构类似于天然安排的细胞外基质，然后答应细胞增殖和成长。因而多功用水凝胶纤维能够广泛运用于安排工程和细胞移植等智能医学设备。其间，常用的资料是海藻酸盐、超分子水凝胶、化学改性明胶和光交联甲基丙烯酸盐明胶。最常用的是海藻酸钠，因其具有杰出的生物相容性、低毒性、相对低的本钱、较高的力学性能和温文的制备条件。

3、多功用聚合物纤维：其直径为数十微米，需求多电极以供给不同的功用。现在，多功用聚合物纤维已成为神经科学和神经假体医治的有用东西。其间，热拉伸技能是出产多功用聚合物纤维最常用的一种办法。

图1 导电碳基纤维、水凝胶纤维和多功用聚合物纤维的制作办法

接着，作者探讨了多功用纤维在可穿戴设备范畴的运用。现在，可穿戴的生物医学设备是一个快速增长的多学科研讨范畴，首要用于无创化和个性化医疗保健。为了将可穿戴设备整合到人体上并消除排挤反响，这些设备有必要是简便、柔性、可弹性的以及舒适牢靠的穿戴。而纤维织物因为其柔软性、柔韧性、透气性和耐用性等共同特性成为一种抱负的可穿戴设备渠道。多功用纤维在可穿戴设备中首要是可穿戴传感器、药物投递两个方面的运用。

1）可穿戴传感器：可穿戴传感纤维通常被规划成搜集生物力学活动和生理信号并转换成另一种信号，且需求将信号传输到长途中心进行处理。因而，这些传感纤维需求具有适宜的丈量规模、高灵敏度、超快速呼应和实时监测的康复率。多功用纤维传感器可分为电阻式传感器和电容式传感器。其间，电阻传感器能够检测到很大规模的压力和应变，但大多数存在灵敏度较差，无法检测到低机械影响的问题。也可分为压电传感器和冲突电传感器。压电传感器具有呼应快、灵敏度高、自功率高级长处。冲突电传感器是根据静电感应和触摸带电的耦合效应，将机械信号转换为电信号，所以也具有很高的灵敏度。

2）药物投递：关于缓慢疾病需求长时刻给药，因而需求一个反应医治体系来按需给药以前进医治功率。装载不同药物的纤维被编织成一种柔软的织物，其间每一种纤维独自作为一个独立的功用单元，能够特异性呼应来按需开释药物。若是需将不同功用的传感纤维、药物传递纤维、能量供给纤维、信号转导纤维和无线传输体系等不同类型的纤维器材集成到织物中，将大大前进对疾病的医治作用。

图2 根据可穿戴纤维的生物医学设备

最终，作者探讨了多功用纤维作为手术植入物的运用。比照传统的手术植入物，它能有用地协助患者脱节炎症的危险，削减康复时刻和医疗护理。此外，植入纤维具有高度柔韧性和直径在微米以下的小尺度的长处，使得安排碎片更少，康复速度更快。多功用纤维作为手术植入物首要是在生物传感器、细胞移植和神经工程方面运用。在生物传感器方面，多功用纤维被开发成的可植入设备用于剖析大脑、血液、肿瘤和其他安排中的生物和物理信号。在细胞移植方面，根据纤维的战略关于细胞移植可为安排衰竭患者供给人工安排代替物。含活细胞的纤维可用于医治激素缺少性疾病和内分泌紊乱。在神经工程方面，多功用纤维在神经科学研讨和神经假体医治方面，能够记载单个神经元分辨率下的神经活动，并经过不同的信号办法与神经元通讯。因而，这些设备在医治精力和神经疾病或康复神经损害后的功用方面具有很大的潜力。

图3 手术植入的生物传感纤维

图4 含细胞的水凝胶纤维用于细胞移植

图5 用于神经工程的纤维设备

【远景与应战】

综上所述，资料和设备制作技能的前进加快了多功用纤维在生物医学范畴的开展。可是该范畴依然处于概念验证阶段，还需求战胜以下应战。

✦ 需严厉评价纤维设备的生物相容性、安全性和设备的电磁辐射。

✦ 严厉评价传感器和记载设备的准确度和牢靠性。

✦ 怎么将更多功用整合到纤维或纤维织物中。

✦ 怎么将无线传输、数据剖析等组件和多功用纤维设备联合运用。

✦ 怎么开发大规模的出产的有用办法，将基础研讨转化为工业产品。

总归，尽管还面临着许多应战，可是咱们需深信该技能将改进未来的医疗保健。未来的可穿戴医疗设备将会更好地习惯人体，从粗笨和生硬的设备转移到融入穿戴者日常日子的纺织品中。这些设备不只有助于疾病防备或前期确诊医治，并且能够前进患者的日子质量，明显下降医疗费用。在未来纤维生物医学设备将作为身体的一个组成部分来改动和改进咱们的日子。

文章标题：Multifunctional Fibers to Shape Future Biomedical Devices. Adv. Funct. Mater 2019, DOI: 10.1002/adfm.201902834.

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