柔性電子器件助力醫(yī)療器械

在微創(chuàng)手術(shù)過程中，醫(yī)生需要利用集成有傳感器的醫(yī)療器械對(duì)體內(nèi)的多種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與評(píng)估。將醫(yī)療器械上的傳感器替換為多功能、陣列化的柔性電子器件，則有望實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的檢測(cè)和更加安全、高效的治療，以提升微創(chuàng)手術(shù)的效率。

柔性電子被廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、植入式器件等領(lǐng)域，其顯著優(yōu)勢(shì)在于：

(1)柔性的電子器件可以與生物組織形成緊密的接觸，實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè);

(2)柔性的電子器件不會(huì)對(duì)生物組織造成損傷。

最近，西北大學(xué)John A. Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組與喬治華盛頓大學(xué)Igor R. Efimov教授課題組在Nature Biomedical Engineering上發(fā)表了題為“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的研究論文，提出了一種多功能、多路復(fù)用的柔性電子陣列結(jié)構(gòu)，可與醫(yī)用導(dǎo)管相集成，有望使未來的微創(chuàng)心臟手術(shù)更加安全高效。

醫(yī)用導(dǎo)管可以通過較小的切口植入生物體，并進(jìn)行一系列的診斷與治療。例如，在心臟微創(chuàng)手術(shù)中，外科醫(yī)生可以通過集成有電極的導(dǎo)管對(duì)心內(nèi)膜的電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并通過局部加熱的方式燒蝕部分心肌組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)心律不齊的治療。

醫(yī)用導(dǎo)管已經(jīng)成為微創(chuàng)手術(shù)中十分重要且有效的工具，但仍有進(jìn)一步提升的空間。首先，導(dǎo)管上集成的電子器件體積較大且不具有柔性，無法與生物組織形成良好的接觸，從而影響信號(hào)檢測(cè)的精度;其次，導(dǎo)管上的電子器件數(shù)量減少、空間密度較低，每次檢測(cè)時(shí)電子器件僅能與生物組織的某一小部分區(qū)域接觸，無法同時(shí)獲得大面積的信息;最后，目前的導(dǎo)管僅具有單一的功能，無法實(shí)現(xiàn)多物理量的同時(shí)測(cè)量。

基于此，研究人員用多功能的柔性電子陣列替換醫(yī)用導(dǎo)管上的傳統(tǒng)電子器件，構(gòu)建了智能微創(chuàng)手術(shù)工具，并在Langendorff離體心臟灌流系統(tǒng)上展示了柔性電子陣列的多種診斷與治療功能。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建包括以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵點(diǎn)一：高密度、多功能的傳感系統(tǒng) 對(duì)于單層的柔性電子器件陣列而言，高空間分辨率與多功能集成之間是互相矛盾的——將更多不同功能的器件相集成意味著每種功能的空間分辨率會(huì)降低。為此，研究人員采用垂直堆疊的方式，構(gòu)建了多層柔性電子器件陣列，每一層器件具有單一的功能和較高的空間分辨率。通過多層疊加，實(shí)現(xiàn)了高密度、多功能的傳感系統(tǒng)(圖一)。

圖一：多層柔性電子器件陣列。(a)示意圖;(b)實(shí)物圖。

關(guān)鍵點(diǎn)二：柔性、高精度壓力傳感陣列 為滿足心臟微創(chuàng)手術(shù)的需求，多功能傳感陣列需具有壓力檢測(cè)功能，以評(píng)估導(dǎo)管與心肌組織的接觸情況;需具有電生理信號(hào)檢測(cè)功能，以檢測(cè)不同位置的心電信號(hào);還需具有溫度檢測(cè)功能，以評(píng)估射頻消融治療的效果。其中，柔性、高精度的壓力檢測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

目前，很多關(guān)于柔性壓力傳感器的研究側(cè)重點(diǎn)在于新材料的開發(fā)，這些新材料雖然具有很高的靈敏度，但本征上具有一定的遲滯，限制了其在高保真度壓力檢測(cè)方面的應(yīng)用。

研究人員所構(gòu)建的壓力傳感陣列基于金屬應(yīng)變片，本征上不具有遲滯。然而，傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片對(duì)正向壓力非常不敏感，無法滿足心臟微創(chuàng)手術(shù)的需求。通過三維屈曲的方法，可以并行化地將近百個(gè)金屬應(yīng)變片轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)(圖二)。

當(dāng)施加正向壓力在這種具有三維形貌的金屬應(yīng)變片時(shí)，壓力會(huì)導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)形變，從而引起金屬的電阻變化。在三維結(jié)構(gòu)上方增加不同尺寸的空腔結(jié)構(gòu)，還可以精確調(diào)控壓力傳感器的靈敏度，滿足不同應(yīng)用的需求。

圖二：三維壓力傳感陣列。(a)陣列實(shí)物圖;(b)與空腔結(jié)構(gòu)集成的三維壓力傳感陣列;(c)單個(gè)壓力傳感器受到正壓力時(shí)的有限元仿真結(jié)果;(d)壓力傳感器靈敏度的有限元仿真結(jié)果;(e)壓力傳感器性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵點(diǎn)三：柔性電子器件的治療功能 大部分柔性電子器件僅具有檢測(cè)功能，而心臟微創(chuàng)手術(shù)過程中需要通過射頻消融、不可逆電穿孔等方式來治療心律不齊。研究人員以電極陣列為媒介，通過向電極陣列輸入不同類型的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多種治療功能(圖三)。

例如，輸入高頻正弦信號(hào)可以使心肌組織內(nèi)部的離子產(chǎn)生攪動(dòng)，導(dǎo)致溫度的升高，實(shí)現(xiàn)射頻消融治療;采用雞胸肉可以對(duì)射頻消融的效果進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過射頻消融的雞胸肉由于溫度升高產(chǎn)生會(huì)發(fā)白的現(xiàn)象。

又如，輸入高壓脈沖信號(hào)可以在電極之間產(chǎn)生高電場(chǎng)，使心肌細(xì)胞因不可逆電穿孔而凋亡;采用土豆可以對(duì)不可逆電穿孔的效果進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過高壓電場(chǎng)的土豆由于細(xì)胞膜破裂會(huì)釋放出酚氧化酶，從而促進(jìn)土豆內(nèi)的酚類化合物氧化而產(chǎn)生發(fā)黑的現(xiàn)象。

圖三：柔性電子陣列的治療功能。(a)射頻消融所施加的電信號(hào);(b)在雞胸肉上進(jìn)行射頻消融的實(shí)物圖，白色區(qū)域?yàn)樯漕l消融后的區(qū)域;(c)不可逆電穿孔所施加的電信號(hào);(d)在土豆上進(jìn)行不可逆電穿孔的實(shí)物圖，黑色區(qū)域?yàn)椴豢赡骐姶┛缀蟮膮^(qū)域。

進(jìn)一步地，研究人員將上述多功能柔性電子陣列與多種球囊導(dǎo)管集成，構(gòu)建了智能微創(chuàng)手術(shù)工具(圖四)。當(dāng)球囊收縮時(shí)，附著在球囊上的多功能柔性電子陣列能夠以微創(chuàng)的形式植入生物體。

在植入后，多功能柔性電子陣列隨著球囊膨脹，與生物組織形成緊密接觸，從而實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)與高效率的治療。相關(guān)結(jié)果在Langendorff兔心臟(圖五)和Langendorff人體心臟(圖六)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖四：集成有柔性電子器件陣列的球囊導(dǎo)管。

圖五：集成有多功能電子器件陣列的球囊導(dǎo)管在Langendorff兔心臟的測(cè)試結(jié)果。(a)測(cè)試示意圖;(b-d)電生理信號(hào)研究;(e-g)射頻消融治療及溫度信號(hào)檢測(cè);(h,i)心電信號(hào)與壓力信號(hào)的同時(shí)采集。

圖六：集成有多功能電子器件陣列的球囊導(dǎo)管在Langendorff人體心臟的測(cè)試結(jié)果。(a)測(cè)試示意圖;(b)Langendorff人體心臟心內(nèi)膜實(shí)物圖;(c,d)電生理信號(hào)研究;(e-k)電學(xué)檢測(cè)與光學(xué)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比;(l,m)Langendorff人體心臟心內(nèi)膜射頻消融后的實(shí)物照片和組織切片照片。

美國西北大學(xué)Querrey Simpson生物電子研究所韓夢(mèng)迪博士、西安交通大學(xué)材料學(xué)院陳林博士、以及喬治華盛頓大學(xué)生物醫(yī)用工程學(xué)院Kedar Aras博士為本論文的第一作者。美國西北大學(xué)John A. Rogers院士和黃永剛院士、以及喬治華盛頓大學(xué)Igor R. Efimov教授為本論文的通訊作者。