中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
甲藻是一組單細(xì)胞光合生物，它們使用一只眼睛和一對鞭毛來檢測光線并朝它移動。這些是海洋浮游植物的主要代表之一 - 從熱帶到極地水域。許多物種能夠通過水的運(yùn)動產(chǎn)生生物發(fā)光。感覺到它后，整群甲藻照亮了海浪，或者留在了駛?cè)氪蠛５拇竺妗?br/>
這種反應(yīng)與細(xì)胞對機(jī)械壓力的反應(yīng)有關(guān)，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的一組科學(xué)家決定利用甲藻的這一特性來制造新的“天然”生物傳感器。原型包括被包裹在透明柔性外殼中的活細(xì)胞，當(dāng)感覺被拉伸、壓縮或彎曲時會發(fā)光。蔡勝強(qiáng)教授和合著者在《自然通訊》雜志上發(fā)表的一篇文章中談到了他。無獨有偶，美國加州大學(xué)圣迭戈分校研究人員也開發(fā)出一種藻類制成的柔軟且耐用的材料，這些材料可響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力（壓縮、拉伸或扭曲）而發(fā)光。這項工作的靈感來自于海灘赤潮事件期間觀察到的生物發(fā)光波。研究發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》上。
發(fā)光藻類制成壓力傳感器
無論是機(jī)器、建筑還是飛機(jī)，了解部件是否承受機(jī)械應(yīng)力總是很有幫助的。一種新型材料利用集成的發(fā)光藻類，可以快速、方便地讓檢查人員了解情況。這種實驗物質(zhì)由加州大學(xué)圣迭戈分校的科學(xué)家開發(fā)，主要由海藻基聚合物（稱為藻酸鹽）與被稱為甲藻的活單細(xì)胞藻類結(jié)合而成。它還含有一種名為聚（乙二醇）二丙烯酸酯的聚合物，以幫助其承受重負(fù)荷。
在海洋中，甲藻會產(chǎn)生閃光，以威懾捕食者。在用這種新材料 3D 打印出來的小型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)材料受到擠壓、拉伸或扭曲時，它們同樣會發(fā)光--機(jī)械應(yīng)力越大，發(fā)光越亮。
重要的是，這種材料制成的機(jī)械應(yīng)力傳感器不需要任何電源或電子設(shè)備。盡管如此，甲藻確實需要有規(guī)律的光照和黑暗循環(huán)才能進(jìn)行光合作用--從光中獲得的能量用于在黑暗中產(chǎn)生生物發(fā)光。到目前為止，3D打印結(jié)構(gòu)在“苛刻的條件”下幾乎不需要維護(hù)，就能工作五個月左右。一旦進(jìn)一步開發(fā)，可以想象這種材料還可以應(yīng)用于軟體機(jī)器人或醫(yī)療植入物等領(lǐng)域，后者利用光信號釋放藥物載荷或進(jìn)行治療。
由于施加的應(yīng)力越大，發(fā)光越亮。研究人員還量化這種行為并開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所施加機(jī)械應(yīng)力的大小來預(yù)測發(fā)光強(qiáng)度。他們還在材料上涂上特殊保護(hù)層，使材料可在海水中儲存長達(dá)5個月，而不會失去其形狀或生物發(fā)光特性。
“目前的這項工作展示了一種簡單的方法，將生物體與非生物組件結(jié)合起來，制造出新型材料，這種材料能夠自我維持，并對自然界中的基本機(jī)械刺激敏感，”該研究的資深作者蔡勝強(qiáng)教授實驗室的博士生李成海說。有關(guān)這項研究的論文最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。在下面的視頻中，我們可以看到用這種材料制成的結(jié)構(gòu)在發(fā)光。
機(jī)械應(yīng)力下自發(fā)發(fā)光
科研人員將甲藻放置在各種形狀的密封彈性殼中。為了增強(qiáng)細(xì)胞所承受的機(jī)械應(yīng)力，在外殼的內(nèi)表面制作了小突起，從而增強(qiáng)了變形過程中的水流。多虧了這一點，作者設(shè)法獲得了生物傳感器的原型，只要輕輕一碰，它們就會真正亮起來?？茖W(xué)家們還證明，磁鐵可以放置在設(shè)備內(nèi)部，然后在外部場的影響下它們移動并發(fā)光。
彈性聚合物聚二甲基硅氧烷用作殼。該材料是在具有使用激光制成的微孔的基質(zhì)上制成的，因此他也保留了這些孔。它們捕獲細(xì)胞和大型生物分子，但確保氧氣和其他氣體的交換。多虧了這一點，設(shè)備內(nèi)的甲藻仍然活著，并且為了“充電”，它們足以留在光線下。光合作用將有助于恢復(fù)用于發(fā)光的資源。
甲藻材料的維護(hù)成本也很低。材料中的甲藻需要定期的光照和黑暗周期，以保持正常功能。當(dāng)在黑暗階段施加機(jī)械張力時，它們利用在光照階段產(chǎn)生的食物和能量來發(fā)光。
“我們把文化帶進(jìn)來，這就是它的終點，”蔡教授說?！爱?dāng)它們在陽光下充電時，它們可以一次又一次地使用至少一個月。無需更新解決方案等。每臺設(shè)備都是一個小的生命生態(tài)系統(tǒng)?！爆F(xiàn)在科學(xué)家們正計劃改進(jìn)原型——特別是獲得這樣的結(jié)構(gòu)，以便活細(xì)胞可以直接整合到其中。這將使設(shè)備更加可靠和通用。在未來的某一天，它們可能會在海洋監(jiān)測系統(tǒng)、水下機(jī)器人等領(lǐng)域得到應(yīng)用，或者只是提供照明而不需要電力。
研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了這些材料，使它們在各種條件下更加耐用。通過將第二種聚合物——聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol) diacrylate）混合到初始混合物中，研究人員進(jìn)一步增強(qiáng)了這些材料，使它們能夠承受更大的機(jī)械負(fù)荷。此外，通過用彈性橡膠狀聚合物Ecoflex對材料進(jìn)行包覆，使材料免受酸性和堿性溶液的侵害。研究人員繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化這些材料，以滿足應(yīng)用于從醫(yī)學(xué)到機(jī)器人等各種行業(yè)的要求。
可望用于醫(yī)學(xué)行業(yè)
這項研究展示了如何將生物生物與非生命成分簡單地結(jié)合起來，以制造自持續(xù)且對自然界中的基本機(jī)械應(yīng)力敏感的新型材料。這些創(chuàng)新的材料有望在未來應(yīng)用于各種行業(yè)，從醫(yī)學(xué)到機(jī)器人，從而為技術(shù)領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用和改進(jìn)。
醫(yī)用壓力傳感器（Medical pressure sensors）是專門醫(yī)用的壓力傳感器。即是專門醫(yī)用的能感受壓力并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。常用的醫(yī)用壓力傳感器有醫(yī)用負(fù)壓真空系統(tǒng)壓力傳感器、真空壓縮袋傳感器、醫(yī)用氣壓壓力傳感器、無創(chuàng)醫(yī)用傳感器、血壓傳感器板、動脈壓力監(jiān)測傳感器 、動脈壓力傳感器、有創(chuàng)醫(yī)用傳感器 、離子束濺射薄膜壓力傳感器、一次性醫(yī)療壓力傳感器、生物醫(yī)用壓力傳感器、血壓計壓力傳感器、醫(yī)用輸液泵用壓力傳感器、脈向傳感器/脈搏傳感器、血壓傳感器、胎壓傳感器等等。
醫(yī)用壓力傳感器都必須高度精確并緊湊包裝，以方便攜帶，特別是器械要與病人直接連接時。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測儀器內(nèi)，要使用不銹鋼和陽極化鋁等標(biāo)準(zhǔn)包裝材料。如果壓力傳感器設(shè)備與人體或液體直接接觸，則可使用可高壓蒸汽滅菌的特種不銹鋼或一次性傳感器。
醫(yī)用壓力傳感器通常用于對人體有創(chuàng)血壓如動脈壓、中心靜脈壓、肺動脈壓和左冠狀動脈壓等多種壓力進(jìn)行監(jiān)測，直接獲得血壓這一生理參數(shù)，為臨床對疾病的診斷、治療和預(yù)后估計提供客觀依據(jù)。
醫(yī)用壓力傳感器早期曾用于病床負(fù)重監(jiān)測，現(xiàn)在則將小型壓力傳感器傳感器應(yīng)用到容易發(fā)生人為錯誤的領(lǐng)域，如：用于給藥的輸液泵。為了盡可能精確地調(diào)節(jié)流速以及便于護(hù)士隨時監(jiān)測，人們將壓力傳感器傳感器應(yīng)用在輸液泵上。這種傳感器可準(zhǔn)確測量輸液袋的重量，當(dāng)液體重量與預(yù)先設(shè)定值不同時，傳感器會立即向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息，并及時跟控制器通信。
隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，醫(yī)用壓力傳感器的應(yīng)用得到大大的普及，而且靈敏度和穩(wěn)定性已經(jīng)得到很大提高，這讓醫(yī)生對病人病情有了更好的判斷。并且很多人高血壓病人家里都自備了這類傳感器，用于隨時監(jiān)測病人的血壓狀況。
