不到1个月!柔性生物电子,连续2篇Nature大子刊!

在过去的几十年里,刚性金属和硅制成的电极和电子设备已经被广泛应用于监测和调节心脏的电流。然而,这些刚性生物电子设备的结构和特性使它们在适应心脏的动态和复杂运动方面存在局限性,可能导致严重的并发症,如心肌组织损伤、血栓形成、心律不齐和设备故障。为了克服这些问题,科学家和工程师们开始研发软性生物电子设备,这些设备由柔性和导电的材料构成,能够更好地适应心脏的运动,并提供更高的诊断准确性和治疗效果。

2023年9月29日,韩国首尔基础科学研究所(IBS)的通讯作者Taeghwan Hyeon教授,Dae-Hyeong Kim教授和Seung-Pyo Lee教授合作,讨论了可植入软生物电子设备,包括心脏映射设备、心脏刺激设备和机械辅助设备,以及可穿戴软生物电子设备,如血氧饱和度传感器、心脏监测设备和经皮药物递送系统。最后,文章提出了软生物电子设备在临床应用方面面临的技术挑战和未来机会。该综述文章以Soft bioelectronics for the management of cardiovascular diseases为题,发表在Nature Reviews bioengineering期刊。共同第一作者是首尔国立大学的Sung-Hyuk Sunwoo, Sang Ihn Han和 Chan Soon Park。

相关进展:9月1日,

【要点】

· 心脏的电生理状态可以通过生物电子技术进行监测和调控,用于心血管疾病的诊断和治疗。

· 可变形、导电的生物电子设备可以设计为与心脏组织接触,具有高诊断准确性和治疗效果,用于管理心血管疾病。

· 软电子材料,如导电聚合物、水凝胶、液态金属和可伸缩纳米复合材料,可以实现与组织的紧密贴合,解决刚性生物电子设备的机械不匹配问题。

· 软生物电子设备可以设计为多通道阵列,用于三维心脏映射、局部治疗、心脏调节和机械控制。

【设计与材料的软生物电子设备】

软生物电子设备的设计和材料可以通过改变它们的结构或使用本质上软性的电子材料来使其在机械上变得柔软,以使其与软体组织机械上兼容。这些策略可以结合使用,以最大化生物电子设备的柔软性。

1.结构方法:可以采用两种主要设计策略来提高本质上刚性或脆性材料的柔韧性和/或可拉伸性:可以制造超薄设备以最小化弯曲刚度并提高柔性,或者可以将设备模式纳入其中以吸收机械应力并提高可拉伸性。通过将设备厚度从毫米级降低到几微米(或更低),可以将设备的刚度降低几个数量级,使设备更加柔软或可折叠,即使原始材料是刚性或脆性的。Mesh形状的阵列配置、蛇形形状的互连图案、弹簧状螺旋结构和其他类型的切割设计可以为超薄设备提供额外的可变形性。

2.材料方法:本质上软性的电子材料具有与软组织相似的模量。这些包括导电聚合物、导电水凝胶、液态金属和可拉伸导电纳米复合材料。这些材料允许监测和调控电导电在电活性组织中的传导,如肌肉和神经。

3.导电聚合物:导电聚合物是绝缘的,但可以通过设计功能基团使它们具有导电性。例如,聚乙炔、聚对苯二甲酸、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等导电聚合物可以通过分子掺杂或处理以提高其导电性。

4.导电水凝胶:导电水凝胶通常由导电填料(如导电聚合物、金属盐、离子液体或导电纳米材料)组成,它们在吸收和保持水的同时能够传输电子。

5液态金属:液态金属(如镓、共熔镓铟和镓铋锡)具有高导电性和理论上的无限可拉伸性。然而,它们可能具有细胞毒性,因此需要封装以防止泄漏。

6.可拉伸导电纳米复合材料:这些由导电纳米填充材料(如金属纳米材料、碳纳米材料)和弹性聚合物组成,能够实现高电性能和固态组织-设备界面。

这些不同的材料方法具有各自的优点和限制,可以根据特定应用选择合适的材料。此外,大规模生产和可靠性方面仍然存在挑战,需要进一步研究和改进。

图1 | 生物电子设备。a,刚性生物电子设备在心血管疾病治疗中存在多个不利因素。b,软性生物电子设备可以通过工程化超薄结构使刚性材料变得柔韧,或者通过应用可变形设计使柔性材料具有伸缩性。c,生物组织与各种材料之间的杨氏模量差异。d,柔性聚酰亚胺基底和弹性水凝胶的材料-组织界面。

【软可植入生物电子设备】

1. 与心脏组织的兼容性:软植入生物电子技术被设计成与心脏组织相兼容。心脏肌肉(心肌)和血管具有不同的机械特性,因此这些软件件必须能够适应这些组织的特点。文章提到了心脏肌肉的弹性模量约为15千帕斯卡(kPa),而血管的模量约为2.64 × 10^2 kPa。

2. 电极安置:传统的心血管设备通常使用刚性电极连接到刚性的血管导线末端,这限制了可以植入的电极数量。软生物电子技术可以更具弹性地包裹整个心脏表面,这意味着可以放置更多的电极,用于记录和刺激心脏的电活动。这种方法使得三维高分辨率的心脏映射成为可能,有助于精确诊断和治疗心脏疾病。

3. 心脏映射:心脏电活动的实时监测对于诊断心脏疾病至关重要。例如,心肌梗塞(心脏梗死)和心力衰竭的一个关键指标是心电信号的幅度降低和局部传导延迟,这些特征难以用传统的刚性电极测量,因为它们不能有效地与心脏表面接触。软生物电子设备可以更好地适应动态跳动的心脏,从而实现更好的电信号记录。

4. 电极材料:文章介绍了不同类型的电极材料,包括硅纳米薄膜、有机电化学晶体管和弹性材料等。这些材料需要具备柔韧性,以适应心脏的运动,同时保持足够的导电性能,以确保可靠的信号记录。

5. 心脏刺激:软生物电子技术还可以用于心脏刺激,包括起搏器。与传统的刚性起搏器不同,软件件可以在心脏的特定位置以及较大的区域进行电刺激,从而改善电活动不同步等问题。

6. 机械辅助装置:当电刺激不足以恢复心脏功能时,可能需要机械辅助装置。这些装置通过模仿心脏的运动来改善心脏功能。例如,柔软的机械套可以通过压缩和扭转心脏来改善心脏的泵血功能。

7. 植入式能源来源:文章提到了不同类型的植入设备的电源来源。有些设备使用可生物降解材料,而另一些则从心跳中获取动能。这有助于延长植入设备的寿命。

图2 | 软可植入生物电子设备。a,使用软生物电子设备进行心脏传导映射。b,植入在左前降支冠状动脉(用黄色箭头表示)上的多通道传感器阵列。根据脉冲激活的相对去极化时间生成彩色地图。白色箭头表示起搏电极。c,植入在大鼠心脏表面的可伸缩有机电化学晶体管(OECT)阵列。d,根据四个时间点的所有节点构建的空间电压图。e,使用软生物电子设备进行电刺激疗法。f,植入在大鼠心脏上的心外网格。在心肌梗死(MI)后,通过心外网格进行电刺激后,大鼠心脏的左心室舒张末期直径(LVESD)和收缩功能得到改善。g,植入在猪心上的大面积多通道电极阵列,用于输送电刺激。h,用于恢复心脏功能的机械辅助装置。i,植入在心脏模型中的被动心脏成型套(HeartNet)设备。j,猪心上的环周(左侧)和扭转(右侧)软性套动器。

【软可穿戴生物电子设备】

1. 软穿戴式生物电子设备:这些设备可以附着在皮肤上,用于非侵入性地诊断和治疗心血管疾病。它们能够监测体温、血压、pH值、血氧饱和度、心电图(ECG)信号、心率以及组织电导(阻抗),并且可以实时监测患者的状态、早期诊断心血管疾病或优化治疗。此外,它们还可以用于实时输药。这些设备有助于提高患者的监测和治疗效果,特别是在手术和重症监护中。

2. 穿戴式血氧饱和度传感器:这些设备用于监测患者的血氧饱和度,即氧合血红蛋白(HbO2)占总血红蛋白(Hb)的比例。它们是关键的生命体征监测工具,尤其在手术或重症监护中。这些设备使用LED和光电探测器来测量血液中的Hb和HbO2的不同光吸收率,以计算氧饱和度。为了获得准确的测量结果,这些设备必须与皮肤进行一致性接触,这在使用刚性设备时可能会受到限制。柔软、无线和微型化的血氧仪已经开发出来,可以更好地适应皮肤的弯曲和拉伸,实现更舒适的监测。

3. 穿戴式心脏监测设备:这些设备用于监测心脏电活动,包括心电图(ECG)信号。它们需要高质量的电极与皮肤接触,以确保长时间测量的高信噪比。柔软、可穿戴的ECG电极可以实现更舒适的长期监测,并且可以集成无线数据传输技术,方便高质量的监测。

4. 跨皮肤药物递送设备:这些设备用于通过皮肤递送药物。其中,离子导入技术(iontophoresis)可以通过在皮肤上建立电场来促进电荷药物的递送。柔软的离子导入设备可以实现更好的皮肤接触,从而提高递送效率。

图3 | 软可穿戴生物电子设备。a,用于心血管疾病治疗的软可穿戴生物电子设备。b,使用聚合物发光二极管(PLEDs)和有机光电探测器(OPD)的软氧合度传感器的结构和工作原理。软氧合度传感器可以安装在食指上。c,附着在婴儿胸部的软心电图(ECG)贴片。软ECG贴片也可以绕在杆上。d,可穿戴的非侵入性心电图成像记录夹克。插图显示了可以使用心脏传导的映射结果来确定受损心肌的位置的可能性。e,软离子透析输药。软水凝胶基透皮输药贴片的光学图像。

【挑战与展望】

最后,论文讨论了软可穿戴和可植入生物电子技术面临的挑战和展望,以及如何改进这些技术以提高其在心血管疾病诊断和治疗中的效力。

1. 无线供电:软生物电子设备通常依赖电池供电,而电池需要定期更换,这通常需要侵入性的程序。为了解决这个问题,可以使用无线供电技术或摩擦电能收集技术。无线供电利用电磁场通过电磁耦合从发射天线(发射器)传输能量到接收天线(接收器)。然而,由于人体组织之间的水分较多,能量传输效率有限。另一方面,柔软的生物电子设备可以更好地适应器官曲线表面,提高了无线耦合效率。

2. 心脏运动的光遗传学控制:传统的电学方式控制心脏运动可能会导致组织烧伤、导线腐蚀、电极-组织界面阻抗增加等问题。因此,可以使用光遗传学来促进或抑制心脏细胞的激活,通过不同波长的光来实现精确的定位刺激。光遗传学允许将刺激精确局限在光照区域,从而可以用于光电治疗,如电复律、除颤和消融。

3. 生物黏合剂用于设备-组织界面:软电子设备与活体组织之间需要稳定、导电和一致的界面,以便在不引起不适或组织损伤的情况下促进信号交换。一种生物电子-组织界面材料将光固化共价网络和离子网络结合在一起,具有粘稠的蜜糖状特性,可以附着在复杂的器官表面并与界面的两侧结合。此外,该材料透明、电导且可以在体内完全吸收,非常适合临时植入。

4. 人工智能(AI)的数据分析:AI可以为心血管疾病的快速和精确诊断提供有效的工具。AI可以处理大量数据,具有高计算速度,因此已经用于心血管分析。例如,深度神经网络可以通过训练AI来自动诊断12导联心电图(ECG)的异常。此外,AI和ECG的集成可以成为心脏异常的表型工具,如左室收缩功能障碍、潜在纤颤、高钾血症和肥厚性心肌病。

图4 | 软生物电子设备的机遇和挑战。a–c,先进的电源系统(面板a)包括无线能量传输(面板b)和静电能量收集(面板c)。d,光学调制心脏。e,记录的心脏信号描述自发跳动(左)和光学调制信号(右)。f,带有柔性结构的可植入微型发光二极管(LED)刺激器。g,人工智能(AI)辅助心血管疾病管理。

https://doi.org/10.1038/s44222-023-00102-z

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