消化道測壓可反映消化道動力性疾病的生理病理改變情況，準(zhǔn)確反映消化道腔內(nèi)基礎(chǔ)壓力及其壓力變化的頻率、幅度、動力指數(shù)等，對胃腸運動功能疾病的診治有較高的價值。目前，胃腸道測壓往往依賴昂貴復(fù)雜的壓力傳感系統(tǒng)。

為了構(gòu)建低成本、便攜的胃腸道測壓系統(tǒng)，來自麻省理工學(xué)院的研究人員利用奇普繩結(jié)原理對填充液態(tài)金屬的硅膠管打結(jié)，通過優(yōu)化繩結(jié)的結(jié)構(gòu)和制備工藝，液態(tài)金屬奇普繩結(jié)的壓力傳感性能可以媲美商品化的胃腸道傳感器，并且具有低成本（每厘米僅為$0.26）、易于制備等優(yōu)點。相關(guān)研究成果以“Low-cost gastrointestinal manometry via silicone–liquid-metal pressure transducers resembling a quipu”為題，發(fā)表于Nature Biomedical Engineering期刊。

奇普（Quipu）繩結(jié)是世界六大古文明之一的安第斯文明中用來記錄信息的一種形式，它利用繩子的顏色、繩結(jié)結(jié)構(gòu)和分布來記錄信息。研究人員發(fā)現(xiàn)，對填充液態(tài)金屬的硅膠管進行打結(jié)后，可以顯著增強繩結(jié)處的壓力靈敏度?？赡艿脑蚴?，對繩結(jié)處施加壓力時，由于剪切應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)管橫截面的縱橫比增加，使其在相同載荷條件下比未打結(jié)的情況下對變形更敏感。其次，類似于串聯(lián)彈簧，由于打結(jié)折疊并堆疊到自身上的每個導(dǎo)管層都經(jīng)歷了垂直于堆疊平面的相同外部壓力分量，從而導(dǎo)致有效總壓力的放大。這種設(shè)計在一定程度上賦予了液態(tài)金屬導(dǎo)管對壓力刺激空間分辨的能力。這種將古文明儲存信息的方式用于調(diào)控液態(tài)金屬壓力傳感器靈敏度的做法非常巧妙。

圖1 液態(tài)金屬奇普繩結(jié)的制備、不同繩結(jié)結(jié)構(gòu)對傳感性能的影響以及在不同使用場景下的穩(wěn)定性評價。

圖2 利用壓力反饋精確控制打結(jié)過程，并利用紫外固化膠水對繩結(jié)結(jié)構(gòu)定型，從而提高液態(tài)金屬奇普繩結(jié)的傳感性能，并結(jié)合仿真模擬分析繩結(jié)傳感特性。

圖3 通過對通道數(shù)量和繩結(jié)數(shù)目的優(yōu)化組合來提升傳感器的空間分辨能力。

圖4 利用多通道液態(tài)金屬奇普繩結(jié)評估人造食物通過過程中的食道壓力以及直腸抑制反射期間的直腸壓力。

圖5 液態(tài)金屬奇普繩結(jié)傳感器和商品化的胃腸壓力傳感器（EndoFLIP）以及金標(biāo)準(zhǔn)（High-resolution manometry）的對比結(jié)果。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00859-5

審核編輯 ：李倩