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華科大吳豪等 AM：可調水凝膠生物電子用于診斷周圍神經病變

2023-11-05 來源：高分子科技

近日，國際權威期刊《Advanced Materials》上刊發華中科技大學吳豪等在柔性電子醫工交叉領域的新成果，題為“Tunable Hydrogel Electronics for Diagnosis of Peripheral Neuropathy”(可調水凝膠生物電子用于診斷周圍神經病變)，華中科技大學在讀博士生楊淦光為論文第一作者，吳豪研究員為通訊作者,附屬協和醫院劉玉田醫生為共同通訊作者。

周圍神經病變作為最常見的神經系統疾病之一，由于致病因素多樣，患者數量呈持續增長趨勢。診斷為周圍神經病變的患者往往會出現運動/感覺障礙，嚴重影響日常生活，長期的治療和康復過程會給患者帶來巨大的經濟負擔，因此，急需有效的早期診斷與及時干預來延緩病情的發展。目前，采集分析肌電圖信號的幅值、傳導速度和潛伏期被認為是評估神經損傷程度的有效方法。診斷過程中，由金屬刺激電極施加脈沖電壓引起的神經動作電位，并通過神經傳導，最終由商用凝膠電極采集肌電圖信號。然而由于受損神經的多樣性(如：運動/感覺/混合神經)，信號幅度范圍從微伏到毫伏不等，且檢測位置多樣性(如:手指/腳踝/手腕)，商用電極存在模量大，黏性低，可拉伸性差等缺陷，難以與皮膚共形貼附，極大地削弱了其刺激和采集性能，信號質量嚴重下降。此外，不同患者皮膚敏感性存在差異(如:多毛皮膚、幼兒皮膚和老年人松弛皮膚)，商用凝膠電極通常表現出不可調節的粘附性，剝離過程中可能導致患者不適。因此，如何實現電極粘性可調，柔性可拉伸性優化以及進一步提高電極的刺激采集性能，采集高保真度肌電圖信號，最終確保高精度周圍神經病變診斷和良性剝離成為研究關鍵。

近日，華中科技大學吳豪/劉玉田開發了一種聚天冬氨酸修飾的多巴胺/乙基離子液體水凝膠(PDEH)，具有快速可調的粘附性、增強的力學性能和導電性，以優化器件/皮膚界面。通過進一步嵌入銀/液態金屬(SLM)導電層，制備PDEH-SLM貼片，以實現周圍神經病變精確診斷和良性剝離。通過采用一步電場處理誘導兒茶酚硼酸基團和靜電鍵的斷裂和重組，水凝膠實現了高速和大范圍的粘性調控(豬皮基底:20秒，112倍;Pt基底:~0.1 s, 26倍)。同時，鋅離子從鋅陽極擴散與水凝膠網絡形成金屬配位鍵，拉伸性提高到1760%。為克服水凝膠的脫水和低導電性，離子液體被引入到水凝膠網絡中，實現更高的電荷能力、更低的界面阻抗。考慮到由于皮膚拉伸變形導致柔性電極的電阻增加會降低信號質量，在水凝膠網絡中嵌入SLM層來緩解這一問題。基于EGaIns與Ag薄片之間的錨定效應，在30%應變下，SLM層的電阻僅增加了~10%。通過表征刺激和記錄性能，與商業電極相比，水凝膠貼片具有優越的電荷注入能力(CIC)、電荷存儲能力(CSC)和更低的接觸阻抗。此外，在長期、拉伸和不同粘附條件下，PDEH-SLM貼片仍然能夠記錄高保真度的信號。研究人員進一步在臨床病例中采用水凝膠貼片采集感覺神經、運動神經和混合神經的肌電信號。通過分析肌電信號的幅值、傳導速度和潛伏期，驗證PDEH-SLM貼片診斷腓腸神經(感覺神經)、腓總神經(運動神經)、正中神經(混合神經)和橈神經(混合神經)等神經損傷的有效性。對于皮膚曲率大(手指)或皮膚松弛(老年人)的臨床病例，由于其出色的柔性和粘性，水凝膠貼片可以實現緊密貼附。進一步電場誘導水凝膠貼片黏性削減，實現多毛皮膚和兒童嬌嫩的皮膚上良性剝離。在具有不同黏性需求的臨床病例中，通過比較水凝膠器件和商用電極采集的肌電圖，得出了一致的神經損傷診斷結論，驗證了水凝膠貼片在周圍神經病變診斷中的有效性。