​John A. Rogers院士/黄永刚院士《AFM》：用于颅内压力监测的生物可吸收多传感器系统

颅内压，即由大脑和脊椎周围产生液体形成的脑脊液的压力，会随着脑血和脑脊液循环动力学的波动而变化，通常作为病人创伤性脑损伤鉴定诊断的重要指标。颅内压力监测通常通过手术手段植入一个侵入式传感器，从而通过传感器收集信息指导创伤性脑损伤后的病人护理决策，以防止永久性的损伤性生理事件，最小化继发性损伤，并优化内在的再生过程。然而，这种传统的技术需要在病人度过一段风险期后进行第二次手术来取出设备，但该过程可能引发免疫介导的炎症反应，形成感染的重点区域。

生物可吸收电子系统由于其生物可吸收的成分材料可消除二次手术提取过程，最大程度减少炎症反应发生，在依赖临时植入器件的临床场景中具有极大的应用前景。在临床相关的监测期间，使用生物可吸收设备在稍长时间内实现稳定的性能尤为重要。通常，生物可吸收设计有一个固有特征，即器件植入后，周围的生物流体会立即开始水解和溶解组成材料。而一般的聚合物基生物可吸收封装层由于无法抵制生物流体渗透，造成封装层过早被吸收，从而使得器件活性组分降解，导致传感器性能损失。

为了解决以上问题，近日，美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士以及华盛顿大学医学院Wilson Z. Ray教授合作通过材料和力学设计开发了用于颅内压力监测的生物可吸收多传感器平台。此生物可吸收颅内压监测平台，在相关临床诊断时间内，提供稳定的监测性能和相对快速的溶解动力学，并通过老鼠模型评估实验得以验证。其主要设计特点包括:

1)作为柔性封装层的单晶硅薄膜，不受生物液体的渗透，其生物可吸收率显著高于其他阻隔材料; 

2)以理论建模和有限元分析为指导，通过实验测量验证优化结构，使传感器响应在封装层溶解过程中保持不变; 

3)通过优化混合蜡材料组分比例构筑有效的边缘封装层;

4)集成了用于评估液体渗入器件功能组件的起始时间的相关组件。

该工作以题目为“Materials, Mechanics Designs, and Bioresorbable Multisensor Platforms for Pressure Monitoring in the Intracranial Space”发表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020, 1910718)上。

该生物可吸收压力监测系统组成材料、器件结构与溶解行为如图1所示。作者采用多层膜结构覆盖在具有空气腔的镁基板上，作为压敏结构。其中多层膜结构包括一层均匀的轻度掺杂的单晶硅微膜，该微膜作为顶部屏障层防止生物流体渗透；一层图案化的掺杂单晶硅纳米膜，提供一个压阻响应的弯曲应变，作为传感元件；另外两层均匀的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）作为粘接层，将各组分粘接在一起，形成密封结构。而通过三维有限元分析定量地捕捉压力传感的基本机理，可对器件结构进行进一步优化，从而提高器件灵敏度。对于器件溶解性行为研究发现，器件在近似生理环境下(37℃磷酸盐缓冲盐水(PBS, pH 7.4)浸泡)溶解，最终所有组成材料完全消失，说明该器件具有良好的生物可吸收性能。

图1生物可吸收压力监测系统的材料、设备结构及溶解行为

为了实现器件稳定运行，其边缘封装显得尤为重要。一方面，为了防止生物流体渗透导致薄膜界面破坏，并造成传感元件损坏，因此封装材料需要具有很好的防水性能；另一方面用于边缘封装的材料必须保证与其他组分材料具有良好的接触以及牢固、可靠的保形结合。而在这些方面，天然蜡和蜡基材料则表现出优越的性能。作者细致的探究了不同蜡封装边缘材料的选择对器件性能影响。结果表明，通过使用蜡混合物不仅可以降低水在界面的渗透速率，同时提供更好的界面性能，从而使得器件取得更优异的性能（图2）。

图2天然蜡材料基边缘封装层设计策略

顶部封装层采用的掺杂的单晶硅微膜虽然具有良好的水屏障作用，可以防止生物流体的渗透，但其在生理环境中会不断的溶解。而在封装层溶解和厚度不断减少的情况下，避免器件运行过程中性能的漂移至关重要。因此，作者在定量建模及有限元分析指导下，通过膜厚度调控并优化顶部封装层的力学设计，从而避免硅膜溶解时传感器响应发生变化（图3）。

图3掺杂硅微膜顶部封装层力学设计策略

作者还通过引入生物可吸收的水渗透监测传感组件，以监测器件是否处于边缘封装意外失效、顶部封装层出现裂缝或出现其他失效模式等情况下，从而实现更为准确的器件运行性能监测（图4）。而通过对比有无水渗透监测传感组件时器件运行性能，也证实了该组件引入并不会对器件本身性能产生影响。

图4 水渗透监测传感器设计策略与集成

最终将该生物可吸收系统植入老鼠颅骨区域，用于老鼠颅内压的长期稳定监测（图5）。3周内颅内压的精确测量结果显示，该器件测量精度基本保持不变，无需重新校准，显示出优异的监测性能。并且该生物可吸收器件的测量结果与商用传感器相比也是可比的，再次说明该器件系统具有极大的应用潜力。

图5 动物颅内压的长期稳定监测

综上所诉，本文报道的生物可吸收压力传感器系统提供了独特的持续监测能力，该技术为压力监测提供广阔的应用前景，不仅适用于创伤性脑损伤，还适用于其他将压力作为重要参数的临床情况。同时，这种类型的设备以及相关的材料和设计概念可能会在其他类型的传感器、无线平台上有进一步的应用，例如用于测量温度、pH、应力/应变、运动和其他与临床医学相关的系统中。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910718

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来源：高分子科学前沿

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