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華科大吳豪等 AM:可調(diào)水凝膠生物電子用于診斷周圍神經(jīng)病變
2023-11-05  來源:高分子科技

  近日,國際權(quán)威期刊《Advanced Materials》上刊發(fā)華中科技大學(xué)吳豪等在柔性電子醫(yī)工交叉領(lǐng)域的新成果,題為“Tunable Hydrogel Electronics for Diagnosis of Peripheral Neuropathy”(可調(diào)水凝膠生物電子用于診斷周圍神經(jīng)病變),華中科技大學(xué)在讀博士生楊淦光為論文第一作者,吳豪研究員為通訊作者,附屬協(xié)和醫(yī)院劉玉田醫(yī)生為共同通訊作者。



  周圍神經(jīng)病變作為最常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一,由于致病因素多樣,患者數(shù)量呈持續(xù)增長趨勢。診斷為周圍神經(jīng)病變的患者往往會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)/感覺障礙,嚴(yán)重影響日常生活,長期的治療和康復(fù)過程會(huì)給患者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),因此,急需有效的早期診斷與及時(shí)干預(yù)來延緩病情的發(fā)展。目前,采集分析肌電圖信號(hào)的幅值、傳導(dǎo)速度和潛伏期被認(rèn)為是評(píng)估神經(jīng)損傷程度的有效方法。診斷過程中,由金屬刺激電極施加脈沖電壓引起的神經(jīng)動(dòng)作電位,并通過神經(jīng)傳導(dǎo),最終由商用凝膠電極采集肌電圖信號(hào)。然而由于受損神經(jīng)的多樣性(如:運(yùn)動(dòng)/感覺/混合神經(jīng)),信號(hào)幅度范圍從微伏到毫伏不等,且檢測位置多樣性(如:手指/腳踝/手腕),商用電極存在模量大,黏性低,可拉伸性差等缺陷,難以與皮膚共形貼附,極大地削弱了其刺激和采集性能,信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降。此外,不同患者皮膚敏感性存在差異(如:多毛皮膚、幼兒皮膚和老年人松弛皮膚),商用凝膠電極通常表現(xiàn)出不可調(diào)節(jié)的粘附性,剝離過程中可能導(dǎo)致患者不適。因此,如何實(shí)現(xiàn)電極粘性可調(diào),柔性可拉伸性優(yōu)化以及進(jìn)一步提高電極的刺激采集性能,采集高保真度肌電圖信號(hào),最終確保高精度周圍神經(jīng)病變?cè)\斷和良性剝離成為研究關(guān)鍵


  近日,華中科技大學(xué)吳豪/劉玉田開發(fā)了一種聚天冬氨酸修飾的多巴胺/乙基離子液體水凝膠(PDEH),具有快速可調(diào)的粘附性、增強(qiáng)的力學(xué)性能和導(dǎo)電性,以優(yōu)化器件/皮膚界面。通過進(jìn)一步嵌入銀/液態(tài)金屬(SLM)導(dǎo)電層,制備PDEH-SLM貼片,以實(shí)現(xiàn)周圍神經(jīng)病變精確診斷和良性剝離。通過采用一步電場處理誘導(dǎo)兒茶酚硼酸基團(tuán)和靜電鍵的斷裂和重組,水凝膠實(shí)現(xiàn)了高速和大范圍的粘性調(diào)控(豬皮基底:20秒,112倍;Pt基底:~0.1 s, 26倍)。同時(shí),鋅離子從鋅陽極擴(kuò)散與水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成金屬配位鍵,拉伸性提高到1760%。為克服水凝膠的脫水和低導(dǎo)電性,離子液體被引入到水凝膠網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)更高的電荷能力、更低的界面阻抗。考慮到由于皮膚拉伸變形導(dǎo)致柔性電極的電阻增加會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量,在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中嵌入SLM層來緩解這一問題。基于EGaIns與Ag薄片之間的錨定效應(yīng),在30%應(yīng)變下,SLM層的電阻僅增加了~10%。通過表征刺激和記錄性能,與商業(yè)電極相比,水凝膠貼片具有優(yōu)越的電荷注入能力(CIC)、電荷存儲(chǔ)能力(CSC)和更低的接觸阻抗。此外,在長期、拉伸和不同粘附條件下,PDEH-SLM貼片仍然能夠記錄高保真度的信號(hào)。研究人員進(jìn)一步在臨床病例中采用水凝膠貼片采集感覺神經(jīng)、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和混合神經(jīng)的肌電信號(hào)。通過分析肌電信號(hào)的幅值、傳導(dǎo)速度和潛伏期,驗(yàn)證PDEH-SLM貼片診斷腓腸神經(jīng)(感覺神經(jīng))、腓總神經(jīng)(運(yùn)動(dòng)神經(jīng))、正中神經(jīng)(混合神經(jīng))和橈神經(jīng)(混合神經(jīng))等神經(jīng)損傷的有效性。對(duì)于皮膚曲率大(手指)或皮膚松弛(老年人)的臨床病例,由于其出色的柔性和粘性,水凝膠貼片可以實(shí)現(xiàn)緊密貼附。進(jìn)一步電場誘導(dǎo)水凝膠貼片黏性削減,實(shí)現(xiàn)多毛皮膚和兒童嬌嫩的皮膚上良性剝離。在具有不同黏性需求的臨床病例中,通過比較水凝膠器件和商用電極采集的肌電圖,得出了一致的神經(jīng)損傷診斷結(jié)論,驗(yàn)證了水凝膠貼片在周圍神經(jīng)病變?cè)\斷中的有效性。 


圖1 PDEH-SLM貼片用于周圍神經(jīng)病變?cè)\斷 


圖2 PDEH界面層的粘性快速調(diào)控機(jī)理與表征 


圖3 PDEH界面層力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理與表征


圖4 SLM導(dǎo)電層性能


圖5 PDEH-SLM貼片刺激、采集以及生物兼容性評(píng)估


圖6 PDEH-SLM貼片用于診斷感覺、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)病變


圖7 PDEH-SLM貼片用于診斷混合神經(jīng)病變


  相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No. 2022YFB4700201), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U2013213、92048302、52188102、82201548)以及華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院STAR項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202308831

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