Nature Electronics | 用于无缝合心外膜接口的粘性生物电子贴片

以下文章来源于液态金属FM ，作者Jin Zhang

将柔性电子器件缝合在心外膜上是监测和治疗心脏疾病的有效手段之一，但这一过程可能会造成组织的损伤、感染或炎症。粘性生物电子设备可以无缝合实现稳定组织-设备界面的构建，然而这种技术却受限于需要外部刺激、难以长时间组织粘附、电极疲劳失效以及固态基底难以均匀覆盖组织表面等问题。近日，韩国成均馆大学Donghee Son团队报道了一种应变自适应的粘性生物电子贴片，无需外部刺激便可在0.5 s内自发贴附在心外膜上，进而实现心电信号的长期准确监测。该贴片由三层构成：上层是基于静电纺丝的聚二甲基硅氧烷（PDMS）纤维互锁粘弹性网络薄膜（E-SHN），能够提供良好的柔韧性和延展性，实现与三维曲面的适形贴合；中间层是液态金属导电复合材料，可以有效耗散残余应变和累积应力，使贴片在长期心脏监测中保持稳定的电学性能；下层是离子导电组织粘附的儿茶酚偶联海藻酸盐(Alg-CA)水凝胶，可以在接触心外膜表面时自发凝胶化，从而瞬间实现对心脏组织的粘附。同时，得益于E-SHN纤维互锁结构与水凝胶的物理纠缠，可以有效耗散应变能，增强组织粘附效果。此外，液态金属的Ga3+和In3+能够与水凝胶中的羧酸基和儿茶酚基络合，实现与心脏组织间的有效电荷运输。最后，作者展示了该贴片在大鼠体内长期心电监测（长达四周）和心肌缺血再灌注模型中的时空映射方面的应用，为开发无缝合的心脏生物电子学技术提供了新思路。相关成果以“Adhesive bioelectronics for sutureless epicardial interfacing”为题发表在《Nature Electronics》上。

图1 粘性生物电子贴片的整体概念和机制。(a)大鼠心脏贴片实物图和结构示意图。上层为E-SHN，中间层是液态金属复合材料，下层是Alg-CA的组织界面粘附水凝胶。(b)贴片在快速心跳条件下与湿润心脏组织的附着机制。当贴片放置到心脏组织上时，粘附层（Alg-CA）的自发凝胶化激发了水凝胶的瞬时适形粘附（第一和第二列）。得益于E-SHN的纤维互锁结构，可以通过多强度氢键相互作用有效地耗散应变能量，增强组织粘附（第三和第四列）。(c)粘性贴片优异的机械和电学性质，可有效解决可拉伸电极的疲劳失效问题。

图2 具有Alg-CA层的E-SHN机械表征，可以实现与心脏组织的瞬时适形贴合。E-SHN在老鼠和猪心脏上展现出稳定的粘附性，可以抵抗PBS溶液冲洗。

图3 EGaIn/SHP复合材料作为电极的电学和机械性能表征。(a) EGaIn/SHP复合材料在拉伸前后的SEM表征。(b)EGaIn/SHP复合材料、纯SHP和传统的固体填料（AgF）复合材料的应力-应变曲线。(c) 在100%应变条件下，不同复合材料的残余应变(%)与拉伸-释放循环后恢复等待时间的关系。(d)三种不同材料在30%应变(i)和松弛1 h (ii)时的应力松弛数据。(e) EGaIn/SHP复合材料的循环伏安法（CV）曲线。(f)组织、EGaIn和Alg-CA水凝胶层的界面双向作用机理图。(g)具有/不具有Alg-CA水凝胶层的红外光谱图。(h-j)EGaIn/SHP复合材料的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）光谱。

图4 电子贴片与心脏的稳定粘附以及大鼠特异性心电信号的测量与电刺激。

图5 与传统缝合器件相比，粘性生物电子贴片无需缝合即可实现心电信号的记录与电刺激。

文章信息：

Choi, H., Kim, Y., Kim, S.et al. Adhesive bioelectronics for sutureless epicardial interfacing. Nat Electron (2023).

https://doi.org/10.1038/s41928-023-01023-w

转自：“NANO学术”微信公众号

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