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  近日，《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）刊發(fā)華中科技大學(xué)吳豪團(tuán)隊(duì)等在柔性電子領(lǐng)域的新成果，題為“A reusable hydrogel biosensor array with electrically responsive hydrogel interfaces for non-invasive locating of perforating arteries” (電場(chǎng)響應(yīng)型可重復(fù)使用水凝膠生物傳感陣列用于無(wú)創(chuàng)穿支血管定位)，華中科技大學(xué)博士生楊淦光、仇裕淇為論文共同第一作者，吳豪教授為通訊作者, 尹周平教授與附屬協(xié)和醫(yī)院劉玉田醫(yī)生為共同通訊作者

  在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中，傳統(tǒng)商用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由剛性模塊組成，柔性差，粘性低，難以與皮膚緊密集成，并易受運(yùn)動(dòng)偽影影響，導(dǎo)致采集的信號(hào)保真度嚴(yán)重降低。近年來(lái)，柔性電子系統(tǒng)由于采用柔性材料制成，展現(xiàn)出優(yōu)異的可拉伸性、力學(xué)適應(yīng)性，可與皮膚保型貼附，并通過(guò)集成硅基芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)功能，在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前柔性電子系統(tǒng)仍面臨以下關(guān)鍵挑戰(zhàn)：(1)材料與器件制造成本較高; (2)器件在長(zhǎng)期使用后因污染或性能退化而引發(fā)交叉感染或功能失效，嚴(yán)重限制了其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的推廣。因此，急需開(kāi)發(fā)兼具精準(zhǔn)性、易操作、皮膚相容性的可重復(fù)使用水凝膠電子系統(tǒng)。

  近日，華中科技大學(xué)吳豪團(tuán)隊(duì)提出電場(chǎng)誘導(dǎo)通用策略，開(kāi)發(fā)了新型電場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠界面層，構(gòu)建了可快速分離/重組的器件/水凝膠界面，賦予柔性電子系統(tǒng)重復(fù)使用能力。同時(shí)，通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)增強(qiáng)水凝膠/皮膚界面的粘附性，實(shí)現(xiàn)了水凝膠電子系統(tǒng)高保真信號(hào)采集。本研究進(jìn)一步將開(kāi)發(fā)的柔性水凝膠生物傳感系統(tǒng)，用于穿支血管定位。臨床結(jié)果表明，該水凝膠傳感器陣列能夠準(zhǔn)確、快速地定位不同類(lèi)型游離皮瓣中的穿支血管，并通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)水凝膠界面拆卸更換，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的重復(fù)使用。所提出的水凝膠界面設(shè)計(jì)策略不僅避免了交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，還顯著降低了設(shè)備成本，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可重復(fù)使用柔性電子器件的開(kāi)發(fā)提供了新途徑。

  為實(shí)現(xiàn)水凝膠傳感陣列與皮膚的共形貼附及柔性電子系統(tǒng)重復(fù)使用，本研究提出電場(chǎng)響應(yīng)水凝膠界面調(diào)控策略。水凝膠界面層網(wǎng)絡(luò)主要由水凝膠微球與聚丙烯酰胺鏈構(gòu)成。其頂層設(shè)計(jì)為可拆卸的器件/水凝膠界面，底層則形成無(wú)縫耦合的水凝膠/皮膚界面。水凝膠生物傳感器陣列通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)計(jì)算各測(cè)量位點(diǎn)PPG信號(hào)的交流分量幅值,并以熱力圖形式可視化分布以實(shí)現(xiàn)穿支血管的快速定位。

圖1.可重復(fù)使用水凝膠生物傳感器陣列的設(shè)計(jì)

  本研究提出了一種通用的電場(chǎng)誘導(dǎo)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)可拆卸水凝膠界面設(shè)計(jì)。水凝膠界面層通過(guò)Fe3?-羧基配位鍵與聚丙烯酸(PAAC)修飾的柔性電路基底緊密鍵合。當(dāng)施加電場(chǎng)誘導(dǎo)鐵離子還原，界面網(wǎng)絡(luò)發(fā)生凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，結(jié)合強(qiáng)度顯著降低117倍，實(shí)現(xiàn)水凝膠層快速拆卸，并在柔性器件上組裝新的水凝膠界面層以實(shí)現(xiàn)器件的可重復(fù)使用。該通用策略可以擴(kuò)展到簡(jiǎn)單的柔性傳感器和復(fù)雜的柔性電子系統(tǒng)的制造。

圖2.可拆卸器件/水凝膠界面設(shè)計(jì)

  在電場(chǎng)與重力場(chǎng)協(xié)同誘導(dǎo)下，水凝膠界面層中的微球向底部富集，同時(shí)微球中的鄰苯三酚基團(tuán)氧化為鄰苯醌基團(tuán)，通過(guò)靜電耦合、氫鍵等物理粘附以及邁克爾加成、希夫堿反應(yīng)等化學(xué)鍵合，實(shí)現(xiàn)了界面層與皮膚粘附強(qiáng)度的顯著增強(qiáng)(>7 倍)，有效地促進(jìn)了生物傳感器陣列與皮膚之間的無(wú)縫集成進(jìn)而提高信號(hào)采集質(zhì)量。

圖3.黏性增強(qiáng)的水凝膠/皮膚界面設(shè)計(jì)

  該研究進(jìn)一步證實(shí)了該水凝膠生物傳感器陣列可有效實(shí)現(xiàn)臨床病例中穿支血管精確定位。研究結(jié)果表明，該水凝膠傳感器定位準(zhǔn)確性與金標(biāo)準(zhǔn)CT血管造影[CTA]相當(dāng)，且不會(huì)產(chǎn)生假陽(yáng)性結(jié)果，優(yōu)于臨床的手持式多普勒超聲[ADS]方法；此外，針對(duì)不同皮瓣類(lèi)型，該陣列可在4分鐘內(nèi)完成上/下肢皮瓣供區(qū)內(nèi)單/多穿支血管定位。在臨床測(cè)試過(guò)程中，本研究通過(guò)電場(chǎng)處理拆卸水凝膠界面層并重新鍵合新的水凝膠界面層以實(shí)現(xiàn)生物傳感器陣列的重復(fù)利用,以降低整體醫(yī)療成本并防止交叉感染。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，水凝膠傳感陣列具有定位精準(zhǔn)、操作者獨(dú)立性、便攜性和無(wú)線傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。成本分析進(jìn)一步表明柔性電子系統(tǒng)重復(fù)使用多次后可使單次手術(shù)成本顯著下降。

圖4.可重用水凝膠傳感陣列用于臨床穿支血管定位

  相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52188102, 52350121, 52475018, 82201548)以及華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院STAR項(xiàng)目的支持。

  相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6166