超小型 可变形的GEMS提供了一种更简单更便宜的方法来改善MRI成像

根据环境改变形状的微型磁探针可以极大地增强磁共振成像(MRI)。然而，生产这些仍处于实验阶段且尚未在人体中使用的探针需要洁净室和纳米制造方面的专业知识，这限制了它们的广泛使用。

现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员将这些变形探针(称为几何编码磁传感器，简称GEMS)更进一步，推出了一种新颖的制造方法，该方法不仅更快、更便宜，而且消除了需要专门的仪器。

科学家们于12月19日在《ACSSensors》在线报告了他们的工作。

该团队没有在纳米制造设施中逐层构建微型探针，而是使用精密母模来构建它们。这项技术允许研究人员在自己的实验室中使用廉价的材料和现成的设备制造GEMS。

NIST科学家加里·扎博(GaryZabow)和塞缪尔·奥伯迪克(SamuelOberdick)及其同事将精力集中在构建微型空心圆柱体形状的GEMS上，因为这种形状可以通过模具轻松制造。对于他们的主模具，科学家们构建了一系列由硬硅制成的空心圆柱体，每个圆柱体的直径只有约100微米，大约是红细胞的十倍。

然后，该团队演示了研究人员如何使用这样的主模具来完成多步骤的制造过程。首先，科学家们将液态聚合物倒在硬硅模具上，使其凝固，然后将其剥离，从而制作了母模的软模具“负片”。这就创建了一个具有一系列圆柱形空腔的柔韧模具。

下一步，科学家们用水凝胶的液体前体填充每个空腔，水凝胶是一种可以吸收大量水的交联聚合物网络。这种水凝胶经过精心设计，可以根据微环境中酸度或其他特性的变化而收缩或膨胀，是GEMS的关键组成部分。工程水凝胶价格低廉且易于制造。

通过将水凝胶暴露在紫外线下使其硬化后，NIST团队将它们从软模具中取出，类似于从硅托盘中弹出冰块。然后将圆柱形水凝胶浸入铁盐浴中并转移到碱性溶液中，将水凝胶吸收的铁盐转化为磁性氧化物颗粒。

每种水凝胶的磁场强度对MRI都有直接影响，MRI可以操纵质子的微小磁场来对人体内部结构进行成像。质子的行为就像旋转的磁化陀螺，每个质子最初都指向随机方向。

MRI机器将质子的磁场与其自身的强磁场对齐，然后通过以共振频率的无线电波脉冲刺激质子来破坏这种对齐，从而使质子交替“松弛”到其原始状态，然后再次对齐。当质子在两种状态之间来回循环时，它们会发出无线电波，这些无线电波被转化为MRI图像。

同时，水凝胶会根据局部条件的变化而改变形状，从而导致其磁场增强或减弱。

GEMS不断变化的磁场会改变探头内部或附近质子的共振频率。通过测量位移，MRI可以检测GEMS如何改变其形状以响应当地环境的特定属性。

Oberdick表示，采用软模工艺制造的GEMS可以根据多种环境特性进行定制，从而改变其形状，从而使研究人员能够使用探针探索一系列生物医学条件。