柔性電子被廣泛應用於可穿戴設備、植入式器件等領域，其顯著優勢在於：（1）柔性的電子器件可以與生物組織形成緊密的接觸，實現高精度的檢測；（2）柔性的電子器件不會對生物組織造成損傷。在微創手術過程中，醫生需要利用集成有傳感器的醫療器械對體內的多種信號進行實時檢測與評估。將醫療器械上的傳感器替換為多功能、陣列化的柔性電子器件，則有望實現更為精準的檢測和更加安全、高效的治療，以提升微創手術的效率。
最近，西北大學John A. Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組與喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授課題組在Nature Biomedical Engineering上發表了題為“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的研究論文，提出了一種多功能、多路複用的柔性電子陣列結構，可與醫用導管相集成，有望使未來的微創心臟手術更加安全高效。
醫用導管可以通過較小的切口植入生物體，並進行一系列的診斷與治療。例如，在心臟微創手術中，外科醫生可以通過集成有電極的導管對心內膜的電信號進行檢測，並通過局部加熱的方式燒蝕部分心肌組織，實現對心律不齊的治療。醫用導管已經成為微創手術中十分重要且有效的工具，但仍有進一步提升的空間。首先，導管上集成的電子器件體積較大且不具有柔性，無法與生物組織形成良好的接觸，從而影響信號檢測的精度；其次，導管上的電子器件數量減少、空間密度較低，每次檢測時電子器件僅能與生物組織的某一小部分區域接觸，無法同時獲得大面積的信息；最後，目前的導管僅具有單一的功能，無法實現多物理量的同時測量。
基於此，研究人員用多功能的柔性電子陣列替換醫用導管上的傳統電子器件，構建了智能微創手術工具，並在Langendorff離體心臟灌流系統上展示了柔性電子陣列的多種診斷與治療功能。整個系統的構建包括以下三個關鍵點。
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關鍵點一：高密度、多功能的傳感系統
對於單層的柔性電子器件陣列而言，高空間分辨率與多功能集成之間是互相矛盾的——將更多不同功能的器件相集成意味着每種功能的空間分辨率會降低。為此，研究人員採用垂直堆疊的方式，構建了多層柔性電子器件陣列，每一層器件具有單一的功能和較高的空間分辨率。通過多層疊加，實現了高密度、多功能的傳感系統（圖一）。
圖一：多層柔性電子器件陣列。（a）示意圖；（b）實物圖。
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關鍵點二：柔性、高精度壓力傳感陣列
為滿足心臟微創手術的需求，多功能傳感陣列需具有壓力檢測功能，以評估導管與心肌組織的接觸情況；需具有電生理信號檢測功能，以檢測不同位置的心電信號；還需具有温度檢測功能，以評估射頻消融治療的效果。其中，柔性、高精度的壓力檢測是整個系統的難點之一。目前，很多關於柔性壓力傳感器的研究側重點在於新材料的開發，這些新材料雖然具有很高的靈敏度，但本徵上具有一定的遲滯，限制了其在高保真度壓力檢測方面的應用。
研究人員所構建的壓力傳感陣列基於金屬應變片，本徵上不具有遲滯。然而，傳統的金屬應變片對正向壓力非常不敏感，無法滿足心臟微創手術的需求。通過三維屈曲的方法，可以並行化地將近百個金屬應變片轉變為三維結構（圖二）。當施加正向壓力在這種具有三維形貌的金屬應變片時，壓力會導致三維結構形變，從而引起金屬的電阻變化。在三維結構上方增加不同尺寸的空腔結構，還可以精確調控壓力傳感器的靈敏度，滿足不同應用的需求。
圖二：三維壓力傳感陣列。（a）陣列實物圖；（b）與空腔結構集成的三維壓力傳感陣列；（c）單個壓力傳感器受到正壓力時的有限元仿真結果；（d）壓力傳感器靈敏度的有限元仿真結果；（e）壓力傳感器性能的實驗測試結果。
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關鍵點三：柔性電子器件的治療功能
大部分柔性電子器件僅具有檢測功能，而心臟微創手術過程中需要通過射頻消融、不可逆電穿孔等方式來治療心律不齊。研究人員以電極陣列為媒介，通過向電極陣列輸入不同類型的電信號來實現多種治療功能（圖三）。例如，輸入高頻正弦信號可以使心肌組織內部的離子產生攪動，導致温度的升高，實現射頻消融治療；採用雞胸肉可以對射頻消融的效果進行體外實驗驗證，經過射頻消融的雞胸肉由於温度升高產生會發白的現象。又如，輸入高壓脈衝信號可以在電極之間產生高電場，使心肌細胞因不可逆電穿孔而凋亡；採用土豆可以對不可逆電穿孔的效果進行體外實驗驗證，經過高壓電場的土豆由於細胞膜破裂會釋放出酚氧化酶，從而促進土豆內的酚類化合物氧化而產生髮黑的現象。
圖三：柔性電子陣列的治療功能。（a）射頻消融所施加的電信號；（b）在雞胸肉上進行射頻消融的實物圖，白色區域為射頻消融後的區域；（c）不可逆電穿孔所施加的電信號；（d）在土豆上進行不可逆電穿孔的實物圖，黑色區域為不可逆電穿孔後的區域。
進一步地，研究人員將上述多功能柔性電子陣列與多種球囊導管集成，構建了智能微創手術工具（圖四）。當球囊收縮時，附着在球囊上的多功能柔性電子陣列能夠以微創的形式植入生物體。在植入後，多功能柔性電子陣列隨着球囊膨脹，與生物組織形成緊密接觸，從而實現高精度的檢測與高效率的治療。相關結果在Langendorff兔心臟（圖五）和Langendorff人體心臟（圖六）進行了驗證。
圖四：集成有柔性電子器件陣列的球囊導管。
圖五：集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff兔心臟的測試結果。（a）測試示意圖；（b-d）電生理信號研究；（e-g）射頻消融治療及温度信號檢測；（h,i）心電信號與壓力信號的同時採集。
圖六：集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff人體心臟的測試結果。（a）測試示意圖；（b）Langendorff人體心臟心內膜實物圖；（c,d）電生理信號研究；（e-k）電學檢測與光學檢測的結果對比；（l,m）Langendorff人體心臟心內膜射頻消融後的實物照片和組織切片照片。
美國西北大學Querrey Simpson生物電子研究所韓夢迪博士、西安交通大學材料學院陳林博士、以及喬治華盛頓大學生物醫用工程學院Kedar Aras博士為本論文的第一作者。美國西北大學John A. Rogers院士和黃永剛院士、以及喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授為本論文的通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41551-020-00604-w
【來源：寬哥玩數碼】
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