生物電子領(lǐng)域突破性進(jìn)展 軟橡膠材料制備心臟外膜生物電子貼片

植入式心外膜器件對(duì)于心血管疾病的發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)，緩解和治療非常重要。通過(guò)與心臟外膜直接接觸，典型的心外膜器件可以用來(lái)測(cè)量心臟的電生理特征和物理特征（例如心電圖（ECG），機(jī)械收縮和擴(kuò)張以及病理生理信息）。對(duì)于該領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，最理想的心外膜器件應(yīng)既具備同心臟組織相似的柔軟性和形變性，同時(shí)兼?zhèn)涠喾N檢測(cè)功能。然而，如何制備兼具上述兩種條件的心外膜生物電子器件仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

近日，美國(guó)休斯頓大學(xué)的余存江(Cunjiang Yu)教授課題組在生物電子領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)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(bào)道了一種完全由模量同心臟相近的軟橡膠材料制備的心臟外膜生物電子貼片。基于余老師課題組近年來(lái)研發(fā)的橡膠電子學(xué)(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(fā)出橡膠生物電子用于醫(yī)療植入應(yīng)用。 該橡膠生物電子貼片不僅可以在跳動(dòng)的心臟上監(jiān)測(cè)心臟的電生理活動(dòng)，應(yīng)變和溫度，同時(shí)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(jī)電轉(zhuǎn)換器還可將心跳轉(zhuǎn)換為電能。上述器件性能在活體豬心實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，同也揭示了多功能橡膠心外膜生物電子貼片制備過(guò)程的關(guān)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(guò)低成本的簡(jiǎn)便制造工藝（例如涂層和印刷）制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(dǎo)體 （AuNPs-AgNWs/PDMS）, 橡膠半導(dǎo)體（P3HT-NFs/PDMS），以及彈性柵隔離層（離子凝膠）。針對(duì)用于心外膜傳感，刺激和能量收集，科研人員設(shè)計(jì)的多功能橡膠心外膜生物電子貼片包含了橡膠晶體管陣列，橡膠應(yīng)變傳感器，橡膠溫度傳感器/熱致動(dòng)器和橡膠機(jī)電傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)了以上橡膠生物電子器件在拉伸條件下優(yōu)良的電學(xué)性能及穩(wěn)定性。

圖2. 橡膠晶體管，橡膠溫度傳感器，橡膠應(yīng)變傳感器及橡膠機(jī)電傳感器 除了器件機(jī)械方面的考慮，生物體內(nèi)的生物流體是另一種可能影響植入器件性能的因素。所制備的橡膠晶體管加上PDMS薄膜塑封后，器件在37 °C磷酸鹽緩沖生理鹽水中展現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)7周的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。 心外膜電生理標(biāo)測(cè)對(duì)于心臟病的診斷和治療非常重要，尤其是對(duì)心臟大面積的時(shí)空映射可以檢測(cè)出不能正確傳導(dǎo)心臟電位的心肌組織?？蒲腥藛T通過(guò)制備5×5的橡膠晶體管陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)于心臟電生理活動(dòng)的時(shí)空映射，同時(shí)，通過(guò)器件和器官之間的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)了器件的電起搏功能。最后，科研人員測(cè)試了橡膠應(yīng)力傳感器，橡膠溫度傳感器及橡膠機(jī)電傳感器在生物體里內(nèi)的性能。

圖3. 心臟電生理活動(dòng)的時(shí)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制備的心臟外膜生物電子貼片，同時(shí)兼?zhèn)涠喾N檢測(cè)功能，其中包括心臟的電生理活動(dòng)時(shí)空映射，溫度，應(yīng)力等。這項(xiàng)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(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)不同功能的組合，該器件可能會(huì)幫助醫(yī)生做出有關(guān)患者心臟監(jiān)測(cè)和治療的決定，并可能有助于加速新療法的發(fā)現(xiàn)。 文章的共同第一作者是Kyoseung Sim博士(現(xiàn)為韓國(guó)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(yùn)濤和Anish Thukral；文章作者還包括合作者來(lái)自于德州心臟研究中心的Abdelmotagaly Elgalad，席雨濤，Diris A Taylor和來(lái)自芝加哥大學(xué)的田博之教授。文章的通訊作者為余存江教授。

文章鏈接：

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

余存江教授簡(jiǎn)介:余老師現(xiàn)為美國(guó)休斯敦大學(xué)機(jī)械工程系Bill Cook副教授，并兼任于電子與計(jì)算機(jī)工程，生物醫(yī)學(xué)工程以及材料科學(xué)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(wǎng)頁(yè): http://yu.me.uh.edu/

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：Nat. Electron.: 橡膠生物電子心臟外膜貼片

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