【pg電子官方網站】不到1個月！柔性生物電子，連續2篇Nature大子刊！

在過去的個月幾十年里，剛性金屬和硅制成的柔性電極和電子設備已經被廣泛應用于監測和調節心臟的電流。然而，生物pg電子官方網站這些剛性生物電子設備的電連大刊結構和特性使它們在適應心臟的動態和復雜運動方面存在局限性，可能導致嚴重的續篇并發癥，如心肌組織損傷、個月血栓形成、柔性心律不齊和設備故障。生物為了克服這些問題，電連大刊科學家和工程師們開始研發軟性生物電子設備，續篇這些設備由柔性和導電的個月材料構成，能夠更好地適應心臟的柔性運動，并提供更高的生物診斷準確性和治療效果。

2023年9月29日，電連大刊韓國首爾基礎科學研究所（IBS）的續篇通訊作者Taeghwan Hyeon教授，Dae-Hyeong Kim教授和Seung-Pyo Lee教授合作，討論了可植入軟生物電子設備，包括心臟映射設備、心臟刺激設備和機械輔助設備，以及可穿戴軟生物電子設備，如血氧飽和度傳感器、心臟監測設備和經皮藥物遞送系統。最后，文章提出了軟生物電子設備在臨床應用方面面臨的技術挑戰和未來機會。該綜述文章以Soft bioelectronics for the management of cardiovascular diseases為題，發表在Nature Reviews bioengineering期刊。共同第一作者是首爾國立大學的Sung-Hyuk Sunwoo, Sang Ihn Han和 Chan Soon Park。

相關進展：
9月1日，

【要點】

· 心臟的電生理狀態可以通過生物電子技術進行監測和調控，用于心血管疾病的pg電子官方網站診斷和治療。

· 可變形、導電的生物電子設備可以設計為與心臟組織接觸，具有高診斷準確性和治療效果，用于管理心血管疾病。

· 軟電子材料，如導電聚合物、水凝膠、液態金屬和可伸縮納米復合材料，可以實現與組織的緊密貼合，解決剛性生物電子設備的機械不匹配問題。

· 軟生物電子設備可以設計為多通道陣列，用于三維心臟映射、局部治療、心臟調節和機械控制。

【設計與材料的軟生物電子設備】

軟生物電子設備的設計和材料可以通過改變它們的結構或使用本質上軟性的電子材料來使其在機械上變得柔軟，以使其與軟體組織機械上兼容。這些策略可以結合使用，以最大化生物電子設備的柔軟性。

1.結構方法：可以采用兩種主要設計策略來提高本質上剛性或脆性材料的柔韌性和/或可拉伸性：可以制造超薄設備以最小化彎曲剛度并提高柔性，或者可以將設備模式納入其中以吸收機械應力并提高可拉伸性。通過將設備厚度從毫米級降低到幾微米（或更低），可以將設備的剛度降低幾個數量級，使設備更加柔軟或可折疊，即使原始材料是剛性或脆性的。Mesh形狀的陣列配置、蛇形形狀的互連圖案、彈簧狀螺旋結構和其他類型的切割設計可以為超薄設備提供額外的可變形性。

2.材料方法：本質上軟性的電子材料具有與軟組織相似的模量。這些包括導電聚合物、導電水凝膠、液態金屬和可拉伸導電納米復合材料。這些材料允許監測和調控電導電在電活性組織中的傳導，如肌肉和神經。

3.導電聚合物：導電聚合物是絕緣的，但可以通過設計功能基團使它們具有導電性。例如，聚乙炔、聚對苯二甲酸、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等導電聚合物可以通過分子摻雜或處理以提高其導電性。

4.導電水凝膠：導電水凝膠通常由導電填料（如導電聚合物、金屬鹽、離子液體或導電納米材料）組成，它們在吸收和保持水的同時能夠傳輸電子。

5液態金屬：液態金屬（如鎵、共熔鎵銦和鎵鉍錫）具有高導電性和理論上的無限可拉伸性。然而，它們可能具有細胞毒性，因此需要封裝以防止泄漏。

6.可拉伸導電納米復合材料：這些由導電納米填充材料（如金屬納米材料、碳納米材料）和彈性聚合物組成，能夠實現高電性能和固態組織-設備界面。

這些不同的材料方法具有各自的優點和限制，可以根據特定應用選擇合適的材料。此外，大規模生產和可靠性方面仍然存在挑戰，需要進一步研究和改進。

圖1 | 生物電子設備。a，剛性生物電子設備在心血管疾病治療中存在多個不利因素。b，軟性生物電子設備可以通過工程化超薄結構使剛性材料變得柔韌，或者通過應用可變形設計使柔性材料具有伸縮性。c，生物組織與各種材料之間的楊氏模量差異。d，柔性聚酰亞胺基底和彈性水凝膠的材料-組織界面。

【軟可植入生物電子設備】

1. 與心臟組織的兼容性：軟植入生物電子技術被設計成與心臟組織相兼容。心臟肌肉（心?。┖脱芫哂胁煌臋C械特性，因此這些軟件件必須能夠適應這些組織的特點。文章提到了心臟肌肉的彈性模量約為15千帕斯卡（kPa），而血管的模量約為2.64 × 10^2 kPa。

2. 電極安置：傳統的心血管設備通常使用剛性電極連接到剛性的血管導線末端，這限制了可以植入的電極數量。軟生物電子技術可以更具彈性地包裹整個心臟表面，這意味著可以放置更多的電極，用于記錄和刺激心臟的電活動。這種方法使得三維高分辨率的心臟映射成為可能，有助于精確診斷和治療心臟疾病。

3. 心臟映射：心臟電活動的實時監測對于診斷心臟疾病至關重要。例如，心肌梗塞（心臟梗死）和心力衰竭的一個關鍵指標是心電信號的幅度降低和局部傳導延遲，這些特征難以用傳統的剛性電極測量，因為它們不能有效地與心臟表面接觸。軟生物電子設備可以更好地適應動態跳動的心臟，從而實現更好的電信號記錄。

4. 電極材料：文章介紹了不同類型的電極材料，包括硅納米薄膜、有機電化學晶體管和彈性材料等。這些材料需要具備柔韌性，以適應心臟的運動，同時保持足夠的導電性能，以確?？煽康男盘栍涗?。

5. 心臟刺激：軟生物電子技術還可以用于心臟刺激，包括起搏器。與傳統的剛性起搏器不同，軟件件可以在心臟的特定位置以及較大的區域進行電刺激，從而改善電活動不同步等問題。

6. 機械輔助裝置：當電刺激不足以恢復心臟功能時，可能需要機械輔助裝置。這些裝置通過模仿心臟的運動來改善心臟功能。例如，柔軟的機械套可以通過壓縮和扭轉心臟來改善心臟的泵血功能。

7. 植入式能源來源：文章提到了不同類型的植入設備的電源來源。有些設備使用可生物降解材料，而另一些則從心跳中獲取動能。這有助于延長植入設備的壽命。

圖2 | 軟可植入生物電子設備。a，使用軟生物電子設備進行心臟傳導映射。b，植入在左前降支冠狀動脈（用黃色箭頭表示）上的多通道傳感器陣列。根據脈沖激活的相對去極化時間生成彩色地圖。白色箭頭表示起搏電極。c，植入在大鼠心臟表面的可伸縮有機電化學晶體管（OECT）陣列。d，根據四個時間點的所有節點構建的空間電壓圖。e，使用軟生物電子設備進行電刺激療法。f，植入在大鼠心臟上的心外網格。在心肌梗死（MI）后，通過心外網格進行電刺激后，大鼠心臟的左心室舒張末期直徑（LVESD）和收縮功能得到改善。g，植入在豬心上的大面積多通道電極陣列，用于輸送電刺激。h，用于恢復心臟功能的機械輔助裝置。i，植入在心臟模型中的被動心臟成型套（HeartNet）設備。j，豬心上的環周（左側）和扭轉（右側）軟性套動器。

【軟可穿戴生物電子設備】

1. 軟穿戴式生物電子設備：這些設備可以附著在皮膚上，用于非侵入性地診斷和治療心血管疾病。它們能夠監測體溫、血壓、pH值、血氧飽和度、心電圖（ECG）信號、心率以及組織電導（阻抗），并且可以實時監測患者的狀態、早期診斷心血管疾病或優化治療。此外，它們還可以用于實時輸藥。這些設備有助于提高患者的監測和治療效果，特別是在手術和重癥監護中。

2. 穿戴式血氧飽和度傳感器：這些設備用于監測患者的血氧飽和度，即氧合血紅蛋白（HbO2）占總血紅蛋白（Hb）的比例。它們是關鍵的生命體征監測工具，尤其在手術或重癥監護中。這些設備使用LED和光電探測器來測量血液中的Hb和HbO2的不同光吸收率，以計算氧飽和度。為了獲得準確的測量結果，這些設備必須與皮膚進行一致性接觸，這在使用剛性設備時可能會受到限制。柔軟、無線和微型化的血氧儀已經開發出來，可以更好地適應皮膚的彎曲和拉伸，實現更舒適的監測。

3. 穿戴式心臟監測設備：這些設備用于監測心臟電活動，包括心電圖（ECG）信號。它們需要高質量的電極與皮膚接觸，以確保長時間測量的高信噪比。柔軟、可穿戴的ECG電極可以實現更舒適的長期監測，并且可以集成無線數據傳輸技術，方便高質量的監測。

4. 跨皮膚藥物遞送設備：這些設備用于通過皮膚遞送藥物。其中，離子導入技術（iontophoresis）可以通過在皮膚上建立電場來促進電荷藥物的遞送。柔軟的離子導入設備可以實現更好的皮膚接觸，從而提高遞送效率。

圖3 | 軟可穿戴生物電子設備。a，用于心血管疾病治療的軟可穿戴生物電子設備。b，使用聚合物發光二極管（PLEDs）和有機光電探測器（OPD）的軟氧合度傳感器的結構和工作原理。軟氧合度傳感器可以安裝在食指上。c，附著在嬰兒胸部的軟心電圖（ECG）貼片。軟ECG貼片也可以繞在桿上。d，可穿戴的非侵入性心電圖成像記錄夾克。插圖顯示了可以使用心臟傳導的映射結果來確定受損心肌的位置的可能性。e，軟離子透析輸藥。軟水凝膠基透皮輸藥貼片的光學圖像。

【挑戰與展望】

最后，論文討論了軟可穿戴和可植入生物電子技術面臨的挑戰和展望，以及如何改進這些技術以提高其在心血管疾病診斷和治療中的效力。

1. 無線供電：軟生物電子設備通常依賴電池供電，而電池需要定期更換，這通常需要侵入性的程序。為了解決這個問題，可以使用無線供電技術或摩擦電能收集技術。無線供電利用電磁場通過電磁耦合從發射天線（發射器）傳輸能量到接收天線（接收器）。然而，由于人體組織之間的水分較多，能量傳輸效率有限。另一方面，柔軟的生物電子設備可以更好地適應器官曲線表面，提高了無線耦合效率。

2. 心臟運動的光遺傳學控制：傳統的電學方式控制心臟運動可能會導致組織燒傷、導線腐蝕、電極-組織界面阻抗增加等問題。因此，可以使用光遺傳學來促進或抑制心臟細胞的激活，通過不同波長的光來實現精確的定位刺激。光遺傳學允許將刺激精確局限在光照區域，從而可以用于光電治療，如電復律、除顫和消融。

3. 生物黏合劑用于設備-組織界面：軟電子設備與活體組織之間需要穩定、導電和一致的界面，以便在不引起不適或組織損傷的情況下促進信號交換。一種生物電子-組織界面材料將光固化共價網絡和離子網絡結合在一起，具有粘稠的蜜糖狀特性，可以附著在復雜的器官表面并與界面的兩側結合。此外，該材料透明、電導且可以在體內完全吸收，非常適合臨時植入。

4. 人工智能（AI）的數據分析：AI可以為心血管疾病的快速和精確診斷提供有效的工具。AI可以處理大量數據，具有高計算速度，因此已經用于心血管分析。例如，深度神經網絡可以通過訓練AI來自動診斷12導聯心電圖（ECG）的異常。此外，AI和ECG的集成可以成為心臟異常的表型工具，如左室收縮功能障礙、潛在纖顫、高鉀血癥和肥厚性心肌病。

圖4 | 軟生物電子設備的機遇和挑戰。a–c，先進的電源系統（面板a）包括無線能量傳輸（面板b）和靜電能量收集（面板c）。d，光學調制心臟。e，記錄的心臟信號描述自發跳動（左）和光學調制信號（右）。f，帶有柔性結構的可植入微型發光二極管（LED）刺激器。g，人工智能（AI）輔助心血管疾病管理。

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

來源：BioMed科技
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