Near‐Infrared Dual‐Modal Sensing of Force and Temperature in Total Knee Replacement Using Mechanoluminescent Phosphor of Sr 3 Sn 2 O 7 : Nd, Yb

荧光粉 材料科学 红外线的 机械容积 发光 光电子学 激发态 光学 物理 核物理学
作者
Wenhao Li,Sikai Wang,Minyu Jin,Lu Wang,Jinlong Nan,Ci Wang,Puxian Xiong,Qing‐Miao Hu,Lu Liu,Jing Ren,Jianzhong Zhang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (25): e2310180-e2310180 被引量:33
标识
DOI:10.1002/smll.202310180
摘要

Abstract Knee replacement surgery confronts challenges including patient dissatisfaction and the necessity for secondary procedures. A key requirement lies in dual‐modal measurement of force and temperature of artificial joints during postoperative monitoring. Here, a novel non‐toxic near‐infrared (NIR) phosphor Sr 3 Sn 2 O 7 :Nd, Yb, is designed to realize the dual‐modal measurement. The strategy is to entail phonon‐assisted upconversion luminescence (UCL) and trap‐controlled mechanoluminescence (ML) in a single phosphor well within the NIR biological transmission window. The phosphor is embedded in medical bone cement forming a smart joint in total knee replacements illustrated as a proof‐of‐concept. The sensing device can be charged in vitro by a commercial X‐ray source with a safe dose rate for ML, and excited by a low power 980 nm laser for UCL. It attains impressive force and temperature sensing capabilities, exhibiting a force resolution of 0.5% per 10 N, force detection threshold of 15 N, and a relative temperature sensitive of up to 1.3% K −1 at 309 K. The stability against humidity and thermal shock together with the robustness of the device are attested. This work introduces a novel methodological paradigm, paving the way for innovative research to enhance the functionality of artificial tissues and joints in living organisms.
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