生物傳感器在非侵入式監測技術開發的應用

瀏覽次數：669　發布日期：2023-6-12　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

近日，Science Translational Medicine在線刊發了華中科技大學機械學院吳豪研究員與同濟醫學院附屬協和醫院、復旦大學合作研究團隊在柔性電子領域的新成果，題為 On-skin biosensors for noninvasive monitoring of postoperative free flaps and replanted digits 。

嚴重的軟組織缺損和肢體離斷在臨床上很常見，游離皮瓣移植術和斷指再植術是主要治療方法，而血運障礙是最常見的術后并發癥，多發于術后48小時內，嚴重的可導致組織壞死以至手術失敗。因此，術后血運狀態持續監測至關重要。盡管顯微外科領域已經引入了多種監測技術，但現有的技術均難以實現無創、連續、精準、對術后創面形貌具有良好適應性的理想監測。目前最常使用的監測方法仍是由醫護人員對術后創面進行評估，但這種手段取決于評估者的工作經驗。因此，迫切需要開發無創、定量、準確、快速反應和易于使用的監測技術。

鑒于此，研究團隊開發了一種用于非侵入式監測術后游離皮瓣與再植斷指血運狀態的表皮生物傳感器。該傳感器由柔性前端、柔性互聯排線、硬質主控后端組成，其中柔性前端可共形貼附在患者術后創面以采集監測部位的光電容積脈搏波（PPG）信號，主控后端可進行信號的進一步處理及分析，并將監測結果顯示在相應的APP界面中。

圖為表皮生物傳感器的設計與測量性能

研究團隊受自然梯度結構的啟發，通過調整鉑 (Pt) 催化劑的擴散過程，制備出既具有自粘性又可穩定集成硅基芯片的具有梯度交聯密度的PDMS（GCD-PDMS）。GCD-PDMS的一側保持可調的粘性，使得傳感器可以與皮膚保形接觸以進行精確測量，同時通過對梯度固化的調節，可以保證粘性不致過大，從而保證器件從皮膚剝離時術后組織不受損傷。同時，GCD-PDMS的另外一側可以保持較高的交聯程度，維持較高的硬度和良好的機械性能，能夠集成硬質硅基芯片，實現系統的柔性混合集成。

圖為梯度固化界面的設計原理與功能

詳細闡述了梯度固化的原理和調控方法，并通過GCD-PDMS橫截面方向的硬度與模量的測試驗證了梯度固化的效果。同時展示了GCD-PDMS粘性一側的粘性可調特性。

驗證了GCD-PDMS界面的生物兼容性，利用大鼠血管阻塞模型，證明了傳感器測量血運的準確性和有效性。臨床研究表明，表皮生物傳感器在識別微血管血運狀況方面比目前的臨床方法更準確，反應更快。通過與激光多普勒血流法和組織氧測量法 (O2C系統) 比較，進一步驗證了傳感器的準確性和識別動脈和靜脈血流灌注功能不全的能力。同時，通過對比展示了表皮傳感器無線、便捷、對脆弱組織造成損傷小的優勢。

本研究提出的GCD-PDMS可以作為表皮電子設備與人體皮膚之間界面設計的通用策略。此外，動物和臨床研究表明，本研究提出的生物傳感器可以準確地識別游離皮瓣和再植斷指的血運狀況，具有無創、無線、連續、定量和易于使用的優點，在推動生物傳感系統面向高性能、小型化、便攜式方向發展具有重要意義。
吳豪為第一作者及通訊作者，附屬協和醫院劉玉田與復旦大學李卓研究員為主要共同作者。