中國人民大學(xué)賀泳霖?ACS Macro Letters：離子導(dǎo)體的獨(dú)特優(yōu)勢！超穩(wěn)定氟油離子凝膠用于MRI強(qiáng)磁環(huán)境下的監(jiān)測

磁共振成像（ MRI）作為一種關(guān)鍵的非侵入性臨床診斷技術(shù)，能夠提供高分辨率的組織影像。然而，其成像過程依賴于強(qiáng)大的靜磁場（通常≥0.3 T），為防止圖像偽影及潛在的安全風(fēng)險，任何含金屬的電子設(shè)備均被嚴(yán)格禁止帶入MRI掃描室。這導(dǎo)致患者，尤其是需鎮(zhèn)靜的兒童、老人或危重病人，在長時間的掃描過程中處于生命體征監(jiān)測的“盲區(qū)”，構(gòu)成顯著安全風(fēng)險。

與依賴電子傳輸信號的傳統(tǒng)設(shè)備不同，人體神經(jīng)系統(tǒng)本身依賴離子傳導(dǎo)信號，可安全耐受高達(dá)8 T的超強(qiáng)磁場，具體而言，離子在磁場中受洛倫茲力影響極微（其速度變化約為電子的百萬分之一）。因此，離子導(dǎo)體天生具備強(qiáng)磁兼容的獨(dú)特優(yōu)勢。

傳統(tǒng)凝膠難以兼顧生物安全性和環(huán)境穩(wěn)定性，基于這一問題, 中國人民大學(xué)賀泳霖團(tuán)隊報道了一種基于全氟聚醚（Perfluoropolyether, PFPE）的超穩(wěn)定離子導(dǎo)電油凝膠（PFOG）,該離子凝膠具有高低溫穩(wěn)定性（-60℃-199℃）、耐酸堿、抗水和有機(jī)溶劑溶脹、生物惰性（小鼠食用無毒）、濕氣不敏感、阻燃、寬電化學(xué)窗口（大于6V），是一個近乎全能的離子導(dǎo)電凝膠材料平臺。并將基于PFOG的柔性傳感器在1.5T臨床MRI設(shè)備中成功實現(xiàn)了人體脈搏信號的監(jiān)測,且完全不影響MRI成像。相關(guān)論文以“Ultrastable, Magnet-Insensitive Perfluoropolyether-based Oleogel for Reliable Sensing in Magnetic Resonance Imaging”為題發(fā)表在《ACS Macro Letters》期刊上。DOI: 10.1021/acsmacrolett.5c00814. 第一作者為朱靖豪，共同第一作者為徐北航。

圖1 PFOG的制備與分析

PFOG通過獨(dú)特的凝膠再生兩步法制備：首先，通過聚氨酯反應(yīng)構(gòu)建全氟聚醚交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)骨架；隨后，將含有離子液體的溶液溶脹滲透進(jìn)該交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，最終形成離子液體被穩(wěn)定封裝、結(jié)構(gòu)均一的透明凝膠。

圖2 PFOG的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性

PFOG展現(xiàn)出與人體皮膚相近的類膚模量，可完美貼合體表，其拉伸率高達(dá)300%，且在100%應(yīng)變下經(jīng)多次循環(huán)加載-卸載后曲線幾乎重合，顯示出優(yōu)異的抗疲勞性。DSC與DMA測試表明，該材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低至-58.3°C，在-60°C 的極端低溫下仍保持彈性，性能遠(yuǎn)超常規(guī)凝膠。此外，得益于全氟聚醚的獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)，PFOG具備阻燃特性，在明火撤離后可迅速自熄，而作為對照的PDMS、常見有機(jī)凝膠與離子凝膠均持續(xù)燃燒并產(chǎn)生濃煙，展現(xiàn)出顯著的安全優(yōu)勢。

圖3 PFOG的生物安全性和環(huán)境穩(wěn)定性

在環(huán)境穩(wěn)定性測試中，PFOG在干燥、潮濕及水下環(huán)境中放置72小時后，其質(zhì)量與形態(tài)均保持穩(wěn)定，而傳統(tǒng)PAM水凝膠和乙二醇有機(jī)凝膠則分別出現(xiàn)明顯的溶劑揮發(fā)或溶脹現(xiàn)象。進(jìn)一步在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽及多種有機(jī)溶劑（如甲苯、DMF等）中進(jìn)行浸泡測試，結(jié)果證實PFOG具備全面的化學(xué)耐受性。此外，大鼠口服實驗也驗證了該材料具有良好的生物安全性，為其在復(fù)雜生理環(huán)境中的應(yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。

圖4 PFOG的電化學(xué)穩(wěn)定性和傳感特性

相較于傳統(tǒng)水凝膠因水的分解電壓限制而難以適應(yīng)高電壓工作環(huán)境，該研究所開發(fā)的全氟聚醚凝膠具有更寬的電化學(xué)窗口，且對溫度與應(yīng)變均表現(xiàn)出高靈敏與穩(wěn)定的響應(yīng)。

圖5 基于PFOG的傳感器用于MRI環(huán)境中監(jiān)測人體脈搏

將基于PFOG的傳感貼片貼合于志愿者頸部，在1.5T磁場下進(jìn)行頸動脈脈搏監(jiān)測與頸部MRI掃描。結(jié)果顯示，MRI掃描前和掃描過程中脈搏信號高度一致，證明該傳感器在強(qiáng)磁場下仍可連續(xù)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作。同時，MRI影像未出現(xiàn)任何偽影或失真，驗證了該傳感器具備真正的MRI兼容性，不影響臨床診斷，為MRI安全監(jiān)護(hù)提供了可靠的技術(shù)支撐。

小結(jié)：本研究開發(fā)了一種全氟聚醚基離子導(dǎo)電凝膠，可作為適用于強(qiáng)磁場環(huán)境的柔性傳感器。該材料通過獨(dú)特的凝膠再生工藝制備，實現(xiàn)了極性離子液體在疏水、疏油的全氟聚醚網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定封裝，展現(xiàn)出多維“超穩(wěn)定性”的協(xié)同集成，兼具寬溫域彈性、阻燃性、寬電化學(xué)窗口、優(yōu)異的耐介質(zhì)性和生物相容性，滿足了在復(fù)雜極端環(huán)境下的可靠傳感需求。此外，基于離子導(dǎo)體本征的強(qiáng)磁兼容性，所構(gòu)建的傳感器可在MRI強(qiáng)磁場中無干擾、高保真地連續(xù)監(jiān)測人體生理信號，且不影響影像質(zhì)量。該創(chuàng)新有望突破MRI掃描過程中的患者生理監(jiān)測盲區(qū)，提升臨床安全性與診斷可靠性，并為發(fā)展適用于其他磁敏感環(huán)境的先進(jìn)傳感技術(shù)提供了平臺。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.5c00814