生物電子領域突破性進展 軟橡膠材料製備心臟外膜生物電子貼片

生物電子領域突破性進展 軟橡膠材料製備心臟外膜生物電子貼片

知社學術圈 發表於 2020-11-12 17:11:45

植入式心外膜器件對於心血管疾病的發現，監測，緩解和治療非常重要。通過與心臟外膜直接接觸，典型的心外膜器件可以用來測量心臟的電生理特徵和物理特徵（例如心電圖（ECG），機械收縮和擴張以及病理生理信息）。對於該領域來說，最理想的心外膜器件應既具備同心臟組織相似的柔軟性和形變性，同時兼備多種檢測功能。然而，如何製備兼具上述兩種條件的心外膜生物電子器件仍是一個巨大挑戰。

近日，美國休斯頓大學的餘存江(Cunjiang Yu)教授課題組在生物電子領域取得了突破性進展，以「An epicardial bioelectronic patch made from soft rubbery materials and capable of spatiotemporal mapping of electrophysiological activity」為題在Nature Electronics上報導了一種完全由模量同心臟相近的軟橡膠材料製備的心臟外膜生物電子貼片。基於餘老師課題組近年來研發的橡膠電子學(Science Advances, 6, eabb3656, 2020; Nature Communications, 11, 3823, 2020; Science Advances, 5, eaax4691, 2019; Science Advances, 5, eaav5479, 2019; Science Advances, 3, e701114, 2017.)，該工作第一次研發出橡膠生物電子用於醫療植入應用。   該橡膠生物電子貼片不僅可以在跳動的心臟上監測心臟的電生理活動，應變和溫度，同時可以為心臟提供電起搏和熱消融的功能。另外，貼片上的橡膠機電轉換器還可將心跳轉換為電能。上述器件性能在活體豬心實驗中得到了證實，同也揭示了多功能橡膠心外膜生物電子貼片製備過程的關鍵方面和功能。  

圖1. 橡膠生物電子心外膜貼片   研究人員通過低成本的簡便製造工藝（例如塗層和印刷）製備了一種橡膠生物電子心臟外膜貼片。該器件完全由模量同心臟相近的軟橡膠材料組成，其中包括橡膠基體/塑封（PDMS），橡膠導體 （AuNPs-AgNWs/PDMS）, 橡膠半導體（P3HT-NFs/PDMS），以及彈性柵隔離層（離子凝膠）。針對用於心外膜傳感，刺激和能量收集，科研人員設計的多功能橡膠心外膜生物電子貼片包含了橡膠電晶體陣列，橡膠應變傳感器，橡膠溫度傳感器/熱致動器和橡膠機電傳感器。實驗結果展現了以上橡膠生物電子器件在拉伸條件下優良的電學性能及穩定性。  

圖2. 橡膠電晶體，橡膠溫度傳感器，橡膠應變傳感器及橡膠機電傳感器   除了器件機械方面的考慮，生物體內的生物流體是另一種可能影響植入器件性能的因素。所製備的橡膠電晶體加上PDMS薄膜塑封后，器件在37 °C磷酸鹽緩衝生理鹽水中展現了長達7周的長時間穩定性。   心外膜電生理標測對於心臟病的診斷和治療非常重要，尤其是對心臟大面積的時空映射可以檢測出不能正確傳導心臟電位的心肌組織。科研人員通過製備5×5的橡膠電晶體陣列實現了對於心臟電生理活動的時空映射，同時，通過器件和器官之間的無縫連接，實現了器件的電起搏功能。最後，科研人員測試了橡膠應力傳感器，橡膠溫度傳感器及橡膠機電傳感器在生物體裡內的性能。  

圖3. 心臟電生理活動的時空映射   綜上，該工作展示了一種由模量同心臟相近的軟橡膠材料製備的心臟外膜生物電子貼片，同時兼備多種檢測功能，其中包括心臟的電生理活動時空映射，溫度，應力等。這項工作為下一代具備和生物組織相類似的生物電子器件及生物傳感器提供了基礎。同時，通過不同功能的組合，該器件可能會幫助醫生做出有關患者心臟監測和治療的決定，並可能有助於加速新療法的發現。   文章的共同第一作者是Kyoseung Sim博士(現為韓國UNIST助理教授)，博士生Faheem Ershad 和張永操；其他作者包括課題組的楊品亦，Hyunseok Shim，饒州旅，路運濤和Anish Thukral；文章作者還包括合作者來自於德州心臟研究中心的Abdelmotagaly Elgalad，席雨濤，Diris A Taylor和來自芝加哥大學的田博之教授。文章的通訊作者為餘存江教授。

文章連結：

Kyoseung Sim, Faheem Ershad, Yongcao Zhang, Pinyi Yang, Hyunseok Shim, Zhoulyu Rao, Yuntao Lu, Anish Thukral, Abdelmotagaly Elgalad, Yutao Xi, Bozhi Tian, Doris A. Taylor, and Cunjiang Yu*, An epicardial bioelectronic patch made from soft rubbery materials and capable of spatiotemporal mapping of electrophysiological activity, Nature Electronics, 2020.    DOI:10.1038/s41928-020-00493-6

餘存江教授簡介:餘老師現為美國休斯敦大學機械工程系Bill Cook副教授，併兼任於電子與計算機工程，生物醫學工程以及材料科學與工程。獲得NIH NIBIB Trailblazer Award, ONR Young Investigator Award, NSF CAREER Award, MIT Technology Review Chinese Top Innovators (Inaugural), SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award等等。課題組目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。課題組網頁: http://yu.me.uh.edu/      

責任編輯：PSY

原文標題：Nat. Electron.: 橡膠生物電子心臟外膜貼片

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