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最新成果┃《自然·生物医学工程》适用于微创手术的柔性多功能阵列

已有 2133 次阅读 2020-9-8 10:46 |个人分类:科研心得|系统分类:论文交流| NBE论文, 柔性电子, 球囊导管, John Rogers

 

近日,《自然·生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志在线发表了题为“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的论文。文章提出了一种多层柔性阵列结构,可应用于心脏外科手术,实现高密度、多功能的检测和治疗。 

文章针对当前医用导管上所集成的电子器件在空间密度、与柔软生物界面的匹配、功能多样性等方面的不足,采用微电子工艺和先进集成制造方法相结合的方式,实现了三点突破。首先,采用微电子工艺可以并行化、批量化制备硅基电子器件,实现器件数量和空间分辨率的大幅提升(图一);

 

图一:温度传感器的工艺流程示意图

 

其次,通过转印工艺可以将电子器件从硅衬底转移至柔性可拉伸的衬底,实现器件阵列的柔性化,从而与生物界面形成可靠的接触,提高检测精度与治疗效果;最后,通过垂直堆叠多层柔性电子器件阵列,可以在保证器件空间密度的情况下实现多功能的集成(图二)。

 

图二:垂直堆叠的多层柔性阵列结构示意图

 

这些多功能电子器件阵列具有轻薄、柔软、可拉伸等特点,可以保形覆盖于医用球囊导管的表面,并随着球囊的形状产生形状的改变(图三)。当球囊收缩时,这些多功能电子器件阵列可以与球囊导管一同以微创的形式植入生物体;当球囊膨胀时,多功能电子器件阵列可与生物组织形成柔软、可控的接触,从而实现多种检测与治疗功能。

 

图三:与球囊导管集成的多功能电子器件阵列;左侧为电子球囊导管插入塑料心脏模型的实物照片,右侧为多种集成了不同电子器件阵列的球囊导管实物照片。

 

这种集成了多功能电子阵列的球囊导管在心脏微创手术领域可以发挥其显著的优势。以治疗心房震颤的微创手术为例,在手术过程中,需要通过球囊导管实现诸多检测与治疗功能,包括评估球囊导管与心肌组织之间的接触情况、检测不同部位的心电信号、通过射频消融(RF ablation)改善心房震颤、评估射频消融过程的温度情况等。为满足上述功能,研究人员将电极阵列、温度传感阵列、压力传感阵列以垂直堆叠的方式集成(图四),并在Langendorff离体心脏灌流系统验证了多功能电子器件的功能。

 

图四:垂直堆叠的多层柔性阵列结构实物照片

 

本文由美国西北大学Querrey Simpson生物电子研究所韩梦迪博士、西安交通大学材料学院陈林博士、乔治华盛顿大学生物医用工程系Kedar Aras博士为论文第一作者,美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士、乔治华盛顿大学Igor R. Efimov教授为论文通讯作者。该研究得到了中国国家重点研发计划、法国巴黎的LEDUCQ基金会、美国国立卫生研究院等基金的资助与支持。

特别说明:论文第一作者韩梦迪博士是Alice Wonderlab2017届毕业生,论文作者陈学先博士是Alice Wonderlab今年的毕业生,祝贺两位优秀的同学!


文章链接: 

https://www.nature.com/articles/s41551-020-00604-w

 

Han, M., Chen, L., Aras, K. et al. Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery. Nat. Biomed. Eng. (2020). https://doi.org/10.1038/s41551-020-00604-w



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1 郑永军

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