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  近日，《科學(xué)進展》（Science Advances）刊發(fā)華中科技大學(xué)吳豪團隊等在柔性電子領(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” (電場響應(yīng)型可重復(fù)使用水凝膠生物傳感陣列用于無創(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)測應(yīng)用領(lǐng)域中，傳統(tǒng)商用監(jiān)測系統(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，并易受運動偽影影響，導(dǎo)致采集的信號保真度嚴重降低。近年來，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，并通過集成硅基芯片來實現(xiàn)生理信號監(jiān)測功能，在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測和人機交互等領(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，嚴重限制了其在實際應(yīng)用場景中的推廣。因此，急需開發(fā)兼具精準性、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)吳豪團隊提出電場誘導(dǎo)通用策略，開發(fā)了新型電場響應(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，通過電場誘導(dǎo)增強水凝膠/皮膚界面的粘附性，實現(xiàn)了水凝膠電子系統(tǒng)高保真信號采集。本研究進一步將開發(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確、快速地定位不同類型游離皮瓣中的穿支血管，并通過電場誘導(dǎo)水凝膠界面拆卸更換，實現(xiàn)柔性傳感器的重復(fù)使用。所提出的水凝膠界面設(shè)計策略不僅避免了交叉感染風(fēng)險，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發(fā)提供了新途徑。

  為實現(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)計為可拆卸的器件/水凝膠界面，底層則形成無縫耦合的水凝膠/皮膚界面。水凝膠生物傳感器陣列通過數(shù)字信號處理技術(shù)計算各測量位點PPG信號的交流分量幅值,并以熱力圖形式可視化分布以實現(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

  本研究提出了一種通用的電場誘導(dǎo)策略來實現(xiàn)可拆卸水凝膠界面設(shè)計。水凝膠界面層通過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)合強度顯著降低117倍，實現(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現(xiàn)器件的可重復(fù)使用。該通用策略可以擴展到簡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

  在電場與重力場協(xié)同誘導(dǎo)下，水凝膠界面層中的微球向底部富集，同時微球中的鄰苯三酚基團氧化為鄰苯醌基團，通過靜電耦合、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，實現(xiàn)了界面層與皮膚粘附強度的顯著增強(>7 倍)，有效地促進了生物傳感器陣列與皮膚之間的無縫集成進而提高信號采集質(zhì)量。

圖3.黏性增強的水凝膠/皮膚界面設(shè)計

  該研究進一步證實了該水凝膠生物傳感器陣列可有效實現(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確性與金標準CT血管造影[CTA]相當(dāng)，且不會產(chǎn)生假陽性結(jié)果，優(yōu)于臨床的手持式多普勒超聲[ADS]方法；此外，針對不同皮瓣類型，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。在臨床測試過程中，本研究通過電場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、操作者獨立性、便攜性和無線傳輸?shù)葍?yōu)勢。成本分析進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)工作得到了國家自然科學(xué)基金項目(52188102, 52350121, 52475018, 82201548)以及華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院STAR項目的支持。

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