【综述】用于心血管健康的可穿戴和可植入器件：基于柔性和可拉伸电子器件的监测与治疗

来源：X一MOL资讯

近年来，心血管疾病成为了人类健康的主要威胁。连续可靠的心脏监测对于心血管疾病的早期诊断和预防尤为重要，而柔性和可拉伸的电子器件的出现为此提供了行之有效的手段。柔性和可拉伸电子器件具有薄、软、可变形等机械特性，使其能够与生物组织紧密而可靠地长期结合，从而能够在皮肤以及心脏表面做连续、高质量乃至大面积的心脏监测。更进一步来讲，器件与器官的紧密结合对于精确治疗也至关重要。结合组织工程，柔性生物电子甚至展现出了对于修复心脏组织损伤的能力。

近日，韩国首尔国立大学的Dae-Hyeong Kim教授和美国德克萨斯大学奥斯汀分校的鲁南姝教授研究组在Advanced Functional Materials 上发表综述文章，重点介绍了基于柔性和可拉伸电子器件的可穿戴和可植入设备在心血管监测和治疗方面的最新进展，包含了对材料，器件，和组织工程疗法的讨论。

1. 用于心血管监测的柔性生物电子

心电图（ECG）、血氧浓度等都是监测心血管健康的重要方式。与传统测量手段相比，柔性电子器件具有与皮肤贴合度高、接触阻抗低、适合长期佩戴、对人体伤害小等特点。为实现长时间、稳定的监测，图1显示包括黄金、石墨烯、金属纳米线在内的多种材料，以及相应的器件结构设计和加工手段被应用在了多种非侵入式/侵入式等器件上。

图1. 用于可穿戴ECG监测的柔性电子器件的电极材料和结构。（a）集成了聚合物-金属丝状蛇形设计的表皮电子系统；（b）集成了丝状蛇形设计的可穿戴柔性电子器件在皮肤上的SEM图像；（c）通过“cut-and-paste”高效数字制备方法制备的多参数表皮传感器；（d）无衬底超薄黄金纳米网格及其SEM图像；（e）基于银纳米线的ECG干电极；（f）可拉伸可自修复的银纳米线电极；（g）亚微米透明石墨烯电子纹身传感器；（h）用喷印PDOT:PSS制备的超薄电极；（i）基于多孔聚合物薄膜的柔性ECG电极；（j）PGS可生物降解的柔性传感器；（k）有蘑菇形尖端的壁虎仿生导电微柱；（l）基于石墨烯包覆织物的电极。

2. 柔性生物电子器件辅助疗法

在实现对心血管进行实时监控的基础上，柔性及可拉伸电子器件还可以为多种心脏疾病提供辅助治疗（图2）。通过设计高贴合度的柔性电子器件，可以从心脏跳动搜集能量，在心脏表面监测到异常信号，同时施加心脏起搏、除颤、消融疗法等治疗手段，从而实现及时、原位的治疗，为患者带来方便。

图2. 柔性生物电子器件实现心脏起搏和除颤。（a）可植入式起搏器的抗菌外壳；（b）摩擦纳米发电机能量收集机制；（c）压电纳米发电机能量收集机制；（d）柔性太阳能电池能量收集机制；（e）在大鼠皮肤下植入摩擦纳米发电机之前（左）和之后（右）的光学图像；（f）安装在牛心脏上的柔性能量收集系统；（g）带有可充电电池的太阳能柔性心脏起搏器；（h）可拉伸无线充电系统；（i）兔心脏表面的具有分形电极的3D多功能外膜；（j）基于银纳米线和SBS橡胶的心脏外膜网；（k）使用（j）心脏起搏前后ECG对比和心肌梗塞后大鼠QRS持续时间；（l）在室颤、除颤和室颤终止过程中监测到的ECG。

3. 柔性生物电子器件在心血管组织工程中的应用

在基于组织工程的心血管疾病治疗中，柔性生物电子器件也可以发挥重要的辅助作用。柔性电子器件具有高贴合度和对组织器官的低损伤性，可用于组织工程治疗后的实时监测，为组织工程治疗效果的表征提供了行之有效的方法（图3）。

图3. 基于组织工程的心脏疗法。（a）通过直接注射进行心脏细胞治疗；（b）与对照组相比有细胞注射（BMC）组的射血分数（EF）得到改善；（c）在热响应聚合物上收获的单层细胞片；（d）在大鼠梗死心脏上进行细胞片移植的手术；（e）通过静电纺丝工艺制造纳米纤维支架和使用PCL/SF/CNT溶液的纺丝技术；（f）具有组装的白蛋白支架层的5 mm组织建构体；（g）结合金纳米线的心脏贴片；（h）用于微创输送的柔性形状记忆心脏支架；（i）ECMs水凝胶内血管通道的制备；（j）碳水化合物的玻璃晶格和血管连接处的荧光图像；（k）用于荧光测定法染色的平板凝胶和血管支架；（l）具有内置脉管系统的可生物降解支架；（m）AngioChip心脏手术的缝合示意图；（n）AngioChip植入大鼠后肢的研究。

小结

本综述总结了柔性和可拉伸生物电子器件在心血管疾病的监测和辅助治疗方面的进展，讨论了不同使用场景和目的的柔性生物电子器件所应用的材料、结构设计和加工手段。同时，基于柔性可植入式电子器件的低器官损伤和高贴合度的特点，对其在组织工程疗法中的辅助作用进行了展望。

本文作者为美国德克萨斯大学奥斯汀分校的博士研究生黄奕夫和鲁南姝教授。

Hong, Yongseok Joseph, Hyoyoung Jeong, Kyoung Won Cho, Nanshu Lu, Dae‐Hyeong Kim

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808247, DOI: 10.1002/adfm.201808247