【摘 要】
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可生物降解器件是一种使用可降解材料制备而成的器件,它不仅能实现设计的功能,而且可以在任务完成后在一定下条件完全降解、不留痕迹,这种特点使其在植入式医疗领域发挥着重要的作用。然而面对实际应用,可生物降解器件依然存在一些问题:材料方面,传统电子器件使用的多是不可弯曲、不可降解的材料,这对于可生物降解器件并不适用。器件方面,监测植入式药物释放系统的进给量等方面均需要位移传感器,然而目前没有关于可生物降解
【基金项目】
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国家重点研发计划项目课题(NO.2018YFA0703200);
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可生物降解器件是一种使用可降解材料制备而成的器件,它不仅能实现设计的功能,而且可以在任务完成后在一定下条件完全降解、不留痕迹,这种特点使其在植入式医疗领域发挥着重要的作用。然而面对实际应用,可生物降解器件依然存在一些问题:材料方面,传统电子器件使用的多是不可弯曲、不可降解的材料,这对于可生物降解器件并不适用。器件方面,监测植入式药物释放系统的进给量等方面均需要位移传感器,然而目前没有关于可生物降解位移传感器的研究。因此本文研发了一种可降解、对人体无害的高性能植入式位移传感器。为了实现以上目标,需要保证传感器的基底、电极和封装均为可生物降解材料,因此本文以天然壳聚糖为基本材料制备薄膜基底,为了得到柔韧性更好以及表面粗糙度更小的基底,在其中添加昆虫表皮蛋白得到掺杂薄膜。在此基础之上,本文设计并制作了一种可降解位移传感器。该传感器以掺杂薄膜为基底,在基底上使用磁控溅射制备叉指型锌金属电极,然后再加一层掺杂薄膜作为封装保护层。该传感器利用电容感应原理,通过测量人体和传感器接近时产生的感应电容来监测位移。为了研究传感器性能,首先,本文表征了该位移传感器的电学响应,实验表明其电容变化量与位移成标准反比例关系,灵敏度最高可达68.5n F/mm,可用于测量微米级的位移,检测范围为0-4mm,并具有很高的响应速度和稳定性。随后,本文从材料出发研究其降解性能,表征了薄膜基底的可控降解能力,在去离子水中该薄膜会于3小时之内完全降解,当p H值减小或温度升高时薄膜降解速度均会增快。为了研究传感器的机械强度,本文表征了添加蛋白对薄膜基底的影响,结果表明相比于纯壳聚糖薄膜,添加浓度为0.5%的掺杂薄膜的延伸率和韧性分别提升了77%和173%,均方根粗糙度(Rq)减小了12.8%,基底具有优良的柔韧性和表面粗糙度对电子器件十分有利。进一步,本文研究了常用金属的降解性能,结果表明使用锌制作的电极会在2天内完成降解,该速度适用于制备可生物降解器件。最后,我们研究了传感器整体的降解性能,在去离子水中该传感器会于10分钟之内崩解变形,3小时之内薄膜完全降解,2天之内金属完全降解,也即完成传感器降解。总的来说,本文设计的传感器可以实现位移监测和可控降解的功能,具备作为植入式医疗器件的潜力。
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