消化道測(cè)壓可反映消化道動(dòng)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(dòng)力指數(shù)等，對(duì)胃腸運(yùn)動(dòng)功能疾病的診治有較高的價(jià)值。目前，胃腸道測(cè)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(cè)壓系統(tǒng)，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究人員利用奇普繩結(jié)原理對(duì)填充液態(tài)金屬的硅膠管打結(jié)，通過(guò)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(diǎn)。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(lái)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(lái)記錄信息。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)填充液態(tài)金屬的硅膠管進(jìn)行打結(jié)后，可以顯著增強(qiáng)繩結(jié)處的壓力靈敏度。可能的原因是，對(duì)繩結(jié)處施加壓力時(shí)，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(duì)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(gè)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(jì)在一定程度上賦予了液態(tài)金屬導(dǎo)管對(duì)壓力刺激空間分辨的能力。這種將古文明儲(chǔ)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(duì)傳感性能的影響以及在不同使用場(chǎng)景下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

圖2 利用壓力反饋精確控制打結(jié)過(guò)程，并利用紫外固化膠水對(duì)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(guò)對(duì)通道數(shù)量和繩結(jié)數(shù)目的優(yōu)化組合來(lái)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(píng)估人造食物通過(guò)過(guò)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(duì)比結(jié)果。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩