全球每年有數百萬臺電子醫療設備植入到人體中,其中包括心臟起搏器,人工耳蝸和神經電刺激設備等。醫生通常通過手術縫合的方式實現電子設備與組織的連接和集成。手術縫合需要精密的操作,但是仍然難以避免組織創傷,炎症反應,結疤,且難以實現連續貼合的界面。目前美國食品藥品監督管理局(FDA)批准的電子設備大多與心臟或者神經組織集成,動態或柔軟脆弱的組織特點使手術縫合更加困難。同時,現有的柔性電子器件通過範德華力或毛細作用實現集成。但是通常難以實現動態組織的長期集成。因此,亟待研發一種可靠的方法來實現體內組織與電子器件的有效集成。
南方科技大學郭傳飛教授團隊和麻省理工學院研究團隊共同在今天發表的Nature Materials的文章中首次提出可粘附生物電子(Bioadhesive Electronics)的概念,並通過生物粘性電子界面(E-bioadhesive interface)來實現(圖1)。生物粘性電子界面能夠快速將電子設備與各種體內組織進行有效粘合,實現長期穩定的雙向電信號的傳導。並且具有與組織相匹配的高柔韌性和高生物相容性。活體動物實驗證明了生物粘性電子界面有望發展成為一類普適性的方法,快速穩定的將電子醫療設備與人體組織進行功能性集成。此外,生物粘性電子界面能通過外界刺激脫粘附,實現植入設備的無創取回。
圖1:生物組織與植入設備的集成方法。a 物理附著;b 手術縫合;c 生物粘性導電界面。
2020年9月28日,論文以「Electrical bioadhesive interface for bioelectronics」為題發表在Nature Materials雜誌上
生物粘性電子界面的作用機理與性能
要實現長期穩定有效的人機電子界面,需要解決當前的材料和方法的幾個主要的弊端:1)現有導電界面材料難以實現在溼潤動態的體內環境中與組織或器官長期穩定集成;2)現有生物粘性材料在溼潤環境中易溶脹,難以保持穩定的電學性能和與植入設備的粘附;3)不可降解的植入設備的取回往往需要二次手術,且伴有嚴重的組織創傷。
圖2:生物粘性導電界面交聯機理
圖3:生物粘性導電界面的粘附性能
針對上述弊端,設計出生物粘性電子界面,使其具有高柔韌性和高吸溼性的聚丙烯酸-聚乙烯醇交聯網絡。當接觸組織表面時,可以迅速吸收表面水分,同時通過物理交聯(氫鍵和靜電作用)瞬間(< 5 s)與組織進行粘合;隨後預先接枝在聚丙烯酸網絡上的NHS基團與組織或器件表面的氨基形成化學交聯(圖2)。生物粘性電子界面不但適用於心臟、皮膚、肌肉、神經組織等各類組織或器官,而且能夠廣泛應用於矽、聚醯亞胺、聚碳酸酯、聚甲基矽氧烷等構建器件的常用材料(圖3)。例如在溼潤動態的心臟組織表面,生物粘性電子界面能夠實現高達110 kPa的剪切強度和420 J m-2的粘接韌性。
圖4:生物粘性導電界面的性能。a各向異性溶脹;b 導電性。
此外,設計引入了還原氧化石墨烯導電網絡。由於石墨烯網絡的引入,一方面使其具有穩定的導電性和電子注入容量,保證了電子器件與生物組織的雙向電信號傳導。另一方面,使乾燥的生物粘性電子界面在與溼潤組織粘合時,僅在垂直平面方向上吸水溶脹,保證了植入電子設備與生物組織長期穩定的粘合(圖4)。同時,為了實現刺激脫粘附,進一步在高分子網絡中設計引入了二硫鍵。通過引入生物相容性的碳酸氫鈉和穀胱甘肽混合水溶液,能夠分別破壞與組織表面的物理和化學交聯,實現脫粘附和植入設備的無創取回。
生物粘性導電界面的應用
通過生物粘性導電界面,將柔性電極貼附在活體小鼠的心臟表面,能夠穩定檢測心外膜心電信號長達兩周 (圖5)。並且能夠通過刺激脫粘附的方式,將電極從心臟表面無創取回。該方法簡單高效,避免了縫合造成的的組織損傷,心律不齊等併發症。通過免疫組化和免疫螢光等多種方法進行分析,驗證了生物粘性導電界面材料具有與FDA批准的金電極相當的生物相容性。
圖5:生物粘性導電界面用於長期心外膜心電信號檢測
展望
生物粘性導電界面的提出,實現了生物電子設備與多種體內組織的高強度粘合,雙向電生理信號的傳導以及無創的脫粘附。相較於傳統的手術縫合和物理貼合等集成方式,具有巨大的潛力。本文提出的材料,方法和概念,不但解決了長期以來生物組織與植入設備在集成方法上的困難和挑戰,同時也為一系列生物可粘附電子器件的發展和人機融合交互的方式提供了新的機遇和思路。
https://www.nature.com/articles/s41563-020-00814-2
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