柔性器件（如压力和应变传感器）可用在电子皮肤和植入式设备。虽然高灵敏的机械传感器的研发已经取得了相当大的进展，但大多数可穿戴设备和电子皮肤只能满足监测方面的要求。耐久性、生物相容性、治疗能力、可控药物释放和可触发降解也是柔性器件的几大挑战。
蚕和蜘蛛产生的丝蛋白具有机械强度、生物相容性和可生物降解性。丝绸加工条件温和，这允许将具有电光功能、光学或化学活性的掺杂剂（如石墨烯、碳纳米管、激光染料、金属和半导体纳米颗粒以及量子点）或者生物成分（如药物、酶、抗体和抗原）参杂入丝绸中，从而在较长时间内保留其功能性和生物活性功能。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎团队在Advanced Science上发表了Body‐Integrated, Enzyme‐Triggered Degradable, Silk‐Based Mechanical Sensors for Customized Health/Fitness Monitoring and In Situ Treatment，作者报告一组导电丝素蛋白水凝胶（CSFH）柔性可拉伸传感器，它用于可穿戴或植入体内。
掺杂碳纳米管（CNTs）的CSFH具有良好的柔韧性，其弹性模量为0.001-0.15 MPa，高拉伸性能可达100%，并且具有良好的刚性和弹性。由于CSFH可响应各种简单和复杂的动作（如单独的压缩、拉伸和弯曲）或其各种组合，因此它可用于感测压力和应变以及区分不同的行为状态。作者展示了这些设备在手语翻译和监测生理信号（如颅内压（ICP）和言语或关节运动期间的肌肉运动）方面的能力。此外，可以通过光照-酶激活降解机制按需降解水凝胶。水凝胶传感器可有效监测癫痫并进行原位治。
【结果与展示】
1. CSFH的结构与性能表征
图1a展示了CSFH的基本结构和材料组件。丝蛋白由α-螺旋、β-片状、无规螺旋和短肽组成，它们通过共价键和氢键形成丝水凝胶的骨架。水凝胶因参杂了碳纳米管而具有导电性。CSFH有优异的压缩性、可拉伸性和可弯曲性（图1b）。图1c- d说明传感机理是施加外力时碳纳米管之间的力接触。
施加张力后，内部间隙沿拉伸方向（图1c（ii））增大，导电路径减少，电阻增大。初始状态时，碳纳米管之间的路径增加，电阻降低。
施加外部压力时，内部间隙显著减小（图1c（iii）），更多的碳纳米管相互接触，导电路径增加，电阻降低。弯曲时（图1c（iv）），CSFH受到拉伸而产生张力，从而导致阻力的增加。图1e展示了CSFH传感器的可视化应用， LED灯可按程序在机械运动时点亮，在CSFH弯曲或伸直时其亮度有明显的波动。CSFH在0.25%木瓜蛋白酶溶液中可降解（图1f）。
2. CSFH的机械性能与导电性能表征
作者评估了CSFH的机械性能。CSFH可进行至少5个压缩应力循环（图2a），同时具有出色的拉伸性（断裂应变为100%）。
无论样品处于何种状态，电流随电压线性增加，且初始状态下的CSFH比拉伸和弯曲状态下的阻力更小，但比压缩状态阻力大（图2c）。
CSFH具有理想的欧姆特性，说明其可作为非常理想的压力和应变传感器。图2d表明电阻比R/R0随压力增大而减小，当压力小于500 Pa时，压力传感器对具有高灵敏度，但在高压状态时，压力灵敏度降低。R/R0值随拉伸应变的增加几乎呈线性增加（图2e）。
作者将该装置安装在食指关节以测量传感器的敏感度，R/R0的值随着弯曲角度的增加而不断增加，灵敏度为0.0045/度（图2f）。
图2g展示了CSFH作为压力传感器的即时响应和循环稳定性，其即时响应时间在毫秒范围内。图2h说明传感器具有高耐久性、重复性和稳定性。快速响应和循环耐久性是可穿戴或可植入设备对生理信号实时监测的重要条件。
3. CSFH的酶降解
酶交联CSFH可通过蛋白酶（如木瓜蛋白酶）降解（图3a），当CSFH与木瓜蛋白酶混合时，丝蛋白的二级结构被破坏，CSFH逐渐退化。木瓜蛋白酶掺杂的CSFH的内部多孔结构组织在降解过程中变得越来越无序（图3b），外部触发器可加快该降解过程。压缩模量和拉伸模量明显随降解时间增加而降低，表明木瓜蛋白酶掺杂的CSFH更容易变形（图3c）。ΔR/R0绝对值不会随降解而显著降低（图3d）；相反，由于水凝胶骨架的部分降解和内部多孔结构无序性会略微增加降低CSFH的弹性模量，使CSFH更容易变形，对机械力更敏感，说明CSFH传感器在整个降解过程中保持其传感灵敏度，直到完全分解。图3e显示温度对CSFH的降解率的影响大于pH值，且最适合降解的条件是50°C，pH=6。还作者通过参杂金纳米粒子（AuNPs）利用激光加热来加速CSFH的局部降解速率（图3g）。
4. CSFH在手语翻译和生理信号实时监测的应用
作者接着将CSFH应用在手语翻译和生理信号实时监测。如图4a所示，在所有手指关节上共安装14个CSFH传感器，传感器根据对话中的字母、单词和手势，在签名时生成特定的关节弯曲信号。图4a使用每个传感器的不同颜色映射和手势的信号模式显示了“水凝胶”一词的实验结果。该传感器还可以检测语音或关节运动中的生理信号，如ICP和肌肉运动。将CSFH膜夹在两个电极之间以组装成压力传感器，并植入大鼠颅内空间检测颅内压（图4a）。正常状态下，阻力值（ΔR）的变化有节律的上下波动，安乐死后变为直线移动，表明正常状态下ICP的节律性波动与心脏冲动和呼吸有关。该压力传感器可监测癫痫期间的颅内压（图4b），注射青霉素PNG溶液诱发癫痫后，ΔR值逐渐降低，表明癫痫期间颅内压升高。CSFH传感器也可以连接到喉咙上以监测讲话过程中的肌肉运动（图4c），或固定在膝关节上来测定人体运动，如步行、慢跑和蹲姿（图4d）。这些实验证明了CSFH传感器在健康监测方以及在帮助语言障碍患者交流的潜力。
5. CSFH用于治疗癫痫病
此外， CSFH传感器还具有药物释放功能，作者选择癫痫进行验证。使用CSFH传感器与微针阵列组合的贴片来进行激光加热触发疗法（图5a）。载有药物苯巴比妥的微针阵列紧密地粘附在CSFH传感器，然后将贴片贴在鼠背部进行健康监测（图5b）。该贴片能够根据运动与健康状态的信号检测癫痫是否发作。当癫痫症状出现时，激光加热触发斑片降解，将苯巴比妥释放到体内进行治疗（图5c）。在这种光引发的药物治疗10分钟后，斑片的局部温度达到42°C，癫痫惊厥明显缓解（图5d-e）。
【结论】
作者制备了一套灵活、可拉伸、可穿戴和可植入的CSFH传感器，该传感器有良好的粘附性、刚性和弹性，对人体皮肤和内脏具有良好的机械顺应性。这些设备可以应用于人体的许多部位，以实现运动识别和生理信号监测。此外，通过将木瓜蛋白酶与金纳米粒子结合，光可以触发CSFH的降解。该装置与载药微针阵列相结合，可对癫痫实时监测和原位治疗。该柔性机械传感提供一个闭环（即“感知和响应”）多功能柔性电子平台，在将来可应用于软机器人、临床治疗和检测患者康复。
