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

  近日,國際權威期刊《Advanced Materials》上刊發(fā)華中科技大學吳豪等在柔性電子醫(yī)工交叉領域的新成果,題為“Tunable Hydrogel Electronics for Diagnosis of Peripheral Neuropathy”(可調水凝膠生物電子用于診斷周圍神經病變),華中科技大學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。



  周圍神經病變作為最常見的神經系統(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。診斷為周圍神經病變的患者往往會出現(xiàn)運動/感覺障礙,嚴重影響日常生活,長期的治療和康復過程會給患者帶來巨大的經濟負擔,因此,急需有效的早期診斷與及時干預來延緩病情的發(fā)展。目前,采集分析肌電圖信號的幅值、傳導速度和潛伏期被認為是評估神經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動作電位,并通過神經傳導,最終由商用凝膠電極采集肌電圖信號。然而由于受損神經的多樣性(如:運動/感覺/混合神經),信號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,信號質量嚴重下降。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)出不可調節(jié)的粘附性,剝離過程中可能導致患者不適。因此,如何實現(xiàn)電極粘性可調,柔性可拉伸性優(yōu)化以及進一步提高電極的刺激采集性能,采集高保真度肌電圖信號,最終確保高精度周圍神經病變診斷和良性剝離成為研究關鍵


  近日,華中科技大學吳豪/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),具有快速可調的粘附性、增強的力學性能和導電性,以優(yōu)化器件/皮膚界面。通過進一步嵌入銀/液態(tài)金屬(SLM)導電層,制備PDEH-SLM貼片,以實現(xiàn)周圍神經病變精確診斷和良性剝離。通過采用一步電場處理誘導兒茶酚硼酸基團和靜電鍵的斷裂和重組,水凝膠實現(xiàn)了高速和大范圍的粘性調控(豬皮基底:20秒,112倍;Pt基底:~0.1 s, 26倍)。同時,鋅離子從鋅陽極擴散與水凝膠網絡形成金屬配位鍵,拉伸性提高到1760%。為克服水凝膠的脫水和低導電性,離子液體被引入到水凝膠網絡中,實現(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致柔性電極的電阻增加會降低信號質量,在水凝膠網絡中嵌入SLM層來緩解這一問題;贓GaIns與Ag薄片之間的錨定效應,在30%應變下,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。研究人員進一步在臨床病例中采用水凝膠貼片采集感覺神經、運動神經和混合神經的肌電信號。通過分析肌電信號的幅值、傳導速度和潛伏期,驗證PDEH-SLM貼片診斷腓腸神經(感覺神經)、腓總神經(運動神經)、正中神經(混合神經)和橈神經(混合神經)等神經損傷的有效性。對于皮膚曲率大(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,水凝膠貼片可以實現(xiàn)緊密貼附。進一步電場誘導水凝膠貼片黏性削減,實現(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,得出了一致的神經損傷診斷結論,驗證了水凝膠貼片在周圍神經病變診斷中的有效性。 


圖1 PDEH-SLM貼片用于周圍神經病變診斷 


圖2 PDEH界面層的粘性快速調控機理與表征 


圖3 PDEH界面層力學性能增強機理與表征


圖4 SLM導電層性能


圖5 PDEH-SLM貼片刺激、采集以及生物兼容性評估


圖6 PDEH-SLM貼片用于診斷感覺、運動神經病變


圖7 PDEH-SLM貼片用于診斷混合神經病變


  相關工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目(No. 2022YFB4700201), 國家自然科學基金項目(U2013213、92048302、52188102、82201548)以及華中科技大學機械科學與工程學院STAR項目的支持。


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

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(責任編輯:xu)
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