生物傳感器在非侵入式監(jiān)測技術(shù)開發(fā)的應用

瀏覽次數(shù)：615　發(fā)布日期：2023-6-12　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責任自負

近日，Science Translational Medicine在線刊發(fā)了華中科技大學機械學院吳豪研究員與同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院、復旦大學合作研究團隊在柔性電子領域的新成果，題為 On-skin biosensors for noninvasive monitoring of postoperative free flaps and replanted digits 。

嚴重的軟組織缺損和肢體離斷在臨床上很常見，游離皮瓣移植術(shù)和斷指再植術(shù)是主要治療方法，而血運障礙是最常見的術(shù)后并發(fā)癥，多發(fā)于術(shù)后48小時內(nèi)，嚴重的可導致組織壞死以至手術(shù)失敗。因此，術(shù)后血運狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測至關(guān)重要。盡管顯微外科領域已經(jīng)引入了多種監(jiān)測技術(shù)，但現(xiàn)有的技術(shù)均難以實現(xiàn)無創(chuàng)、連續(xù)、精準、對術(shù)后創(chuàng)面形貌具有良好適應性的理想監(jiān)測。目前最常使用的監(jiān)測方法仍是由醫(yī)護人員對術(shù)后創(chuàng)面進行評估，但這種手段取決于評估者的工作經(jīng)驗。因此，迫切需要開發(fā)無創(chuàng)、定量、準確、快速反應和易于使用的監(jiān)測技術(shù)。

鑒于此，研究團隊開發(fā)了一種用于非侵入式監(jiān)測術(shù)后游離皮瓣與再植斷指血運狀態(tài)的表皮生物傳感器。該傳感器由柔性前端、柔性互聯(lián)排線、硬質(zhì)主控后端組成，其中柔性前端可共形貼附在患者術(shù)后創(chuàng)面以采集監(jiān)測部位的光電容積脈搏波（PPG）信號，主控后端可進行信號的進一步處理及分析，并將監(jiān)測結(jié)果顯示在相應的APP界面中。

圖為表皮生物傳感器的設計與測量性能

研究團隊受自然梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過調(diào)整鉑 (Pt) 催化劑的擴散過程，制備出既具有自粘性又可穩(wěn)定集成硅基芯片的具有梯度交聯(lián)密度的PDMS（GCD-PDMS）。GCD-PDMS的一側(cè)保持可調(diào)的粘性，使得傳感器可以與皮膚保形接觸以進行精確測量，同時通過對梯度固化的調(diào)節(jié)，可以保證粘性不致過大，從而保證器件從皮膚剝離時術(shù)后組織不受損傷。同時，GCD-PDMS的另外一側(cè)可以保持較高的交聯(lián)程度，維持較高的硬度和良好的機械性能，能夠集成硬質(zhì)硅基芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性混合集成。

圖為梯度固化界面的設計原理與功能

詳細闡述了梯度固化的原理和調(diào)控方法，并通過GCD-PDMS橫截面方向的硬度與模量的測試驗證了梯度固化的效果。同時展示了GCD-PDMS粘性一側(cè)的粘性可調(diào)特性。

驗證了GCD-PDMS界面的生物兼容性，利用大鼠血管阻塞模型，證明了傳感器測量血運的準確性和有效性。臨床研究表明，表皮生物傳感器在識別微血管血運狀況方面比目前的臨床方法更準確，反應更快。通過與激光多普勒血流法和組織氧測量法 (O2C系統(tǒng)) 比較，進一步驗證了傳感器的準確性和識別動脈和靜脈血流灌注功能不全的能力。同時，通過對比展示了表皮傳感器無線、便捷、對脆弱組織造成損傷小的優(yōu)勢。

本研究提出的GCD-PDMS可以作為表皮電子設備與人體皮膚之間界面設計的通用策略。此外，動物和臨床研究表明，本研究提出的生物傳感器可以準確地識別游離皮瓣和再植斷指的血運狀況，具有無創(chuàng)、無線、連續(xù)、定量和易于使用的優(yōu)點，在推動生物傳感系統(tǒng)面向高性能、小型化、便攜式方向發(fā)展具有重要意義。
吳豪為第一作者及通訊作者，附屬協(xié)和醫(yī)院劉玉田與復旦大學李卓研究員為主要共同作者。