Nature Electronics：心脏植入电子器件采用全橡胶电子材料

来源：纳米人

上世纪50年代，世界上第一台可植入人体的心脏起搏器问世，并后来由瑞典胸外科医生Ake Senning首次临床试验成功。发展至今，起搏器继续在世界范围内用于治疗许多心脏疾病。这些设备可使人体最重要的器官保持其节律，以保存并延长患者多年的生命，在关键时刻有着起死回生的作用。起搏器（图源网络）目前，用于监测和治疗心律不齐及其他心脏问题的起搏器和其他可植入心脏设备通常具有两个缺点之一：1）它们由无法移动以适应跳动的心脏的刚性材料制成；2）由可以吸收心脏跳动的柔软材料制成，但是仅收集有限的信息。那么，能否制造既柔软又可以收集多种生理信息的心脏起搏器呢？近日，美国休斯顿大学余存江等人报道了一种由完全橡胶的电子产品制成的贴片，该贴片可以直接放在心脏上，以同时收集电生理活动，温度，心跳和其他指标。这标志着基于与心脏组织兼容的全橡胶电子材料被首次用于生物电子学，从而使该设备能够解决以前由刚性电子材料制成的心脏植入物的局限性。模量接近心脏贴剂完全由柔软的橡胶材料制成，它是以橡胶导体、半导体和电介质为基础，通过涂层和印刷等低成本制造工艺制成的一种亚毫米厚的弹性电子薄片，其模量接近心脏组织的模量（数十kPa至〜1 MPa）。贴片含有橡胶状晶体管阵列、应变传感器、温度传感器/热致动器和用于心外膜传感、刺激和能量收集的机电传感器。由于封装和使用复合材料，这些晶体管在生物流体中可稳定几个星期。图|柔软的橡胶心外膜生物电子贴片该设备能干什么？1.全方位监测研究结果表明，基于贴片的形式，该阵列通过器件与器官之间的无缝界面提供了时空电位映射和电起搏功能，即可以实现对心脏全方位多个位置的监测，包括跳动的心脏变形时的电生理活动，应变和温度。这可以实现迅速找出患有心律不齐或心脏病发作的人的问题所在。还证明了生物电子贴片可以用作临时植入物，以在持续数小时的心脏手术期间向外科医生提供关键信息。在几个小时的过程中，未观察到心脏受损，并且斑块也未明显影响心跳。值得注意的是，可以通过更密集的传感节点进一步提高空间分辨率。基于有源矩阵的ECG传感器和起搏器阵列呈现出阵列设备的相当均匀和可靠的电气特性，并具有100％的高成品率。图|全橡胶晶体管有源矩阵在体内的电生理映射2.自供能除此之外，该设备还可以从心脏跳动中收集能量，从而实现无需外部电源即可自身运行，以替代长期以来对植入式设备的有限电源挑战。One More Thing：除了可以监测心外膜温度，通过使用相同的结构，温度传感器可以用作热致动器，该热致动器对于组织坏死和可能的肿瘤破坏是有用的工具。这种设计选择对于设备集成是有利的，因为只需单个设备设计即可实现温度感测和热消融的功能。实验研究表明：热致动器产生约60°C的热执行器，足以引起坏死。图|在体内验证橡胶状物理传感器和设备用于消融和集能小结：本文报道了一种柔软且可拉伸的生物电子系统，该系统仅由模量与心脏组织的模量接近的材料组成。与主要基于具有在宏观水平上可拉伸的机械结构的刚性材料的生物电子学不同，用具有与生物组织的模量匹配的模量的材料构造生物电子学，意味着以后有可能向没有硬-软界面的下一代生物电子学和生物传感器的途径发展。该橡胶心外膜贴片能够进行多重心电图定位，应变和温度感应，电起搏，热消融和能量收集功能，并且已经在猪活体心脏上展示了其功能。这种功能组合意味着该设备可能有助于医生做出有关心脏监测和患者治疗的决定，并可能有助于加速新疗法的发现。虽然该生物电子贴片主要是作为一种临时的心外膜植入物，但加入消炎剂和材料，以及对诱导纤维化的仔细研究，可能会导致长期植入物的发展。