生物粘附装置可用于创建舒适的组织-装置界面，无需缝合。然而，此类技术的发展面临着以下挑战：需要外部刺激或长时间组织粘附、可拉伸电极与疲劳相关的损坏以及使用组织表面覆盖不均匀的固体基质。在这里，成均馆大学Donghee Son & Mikyung Shin报告了一种生物电子贴片，它能够在心脏上瞬时且适形地粘附组织，以进行精确的心脏监测。该贴片由三层组成：离子导电组织粘合剂、粘弹性网络膜和抗疲劳导电复合材料。该系统在没有外部刺激的情况下在不到0.5秒的时间内提供适形的组织粘附，基于有效应变适应性的自发模量匹配以及1,000次拉伸循环后在50.0%拉伸应变下小于0.2%的小电阻变化。研究证明，该贴片可用于在清醒大鼠中长期测量心电图信号(植入后长达4周)而不造成组织损伤，以及心肌缺血再灌注模型中的时空映射。该研究以题为“Adhesive bioelectronics for sutureless epicardial interfacing”的论文发表在《Nature Electronics》上。
该研究报道了一种应变自适应纤维互锁电子(SAFIE)贴片，它可以在心脏上提供即时的适形组织粘附，以实现精确的心脏监测。贴片的分层微观结构由三层组成：离子导电组织粘合剂儿茶酚共轭海藻酸盐(Alg-CA)水凝胶；疲劳不敏感的自修复导电共晶镓铟(EGaIn)液态金属/聚合物纳米/微米复合薄膜(EGaIn复合材料)；以及由聚二甲基硅氧烷(PDMS)基自修复弹性体制成的电纺纤维互锁聚合物网络结构(电纺自修复聚合物(SHP)网络(E-SHN))。当导电复合材料通过自粘组件转移到 E-SHN 基底时，就会涂上粘合水凝胶层。
图1| SAFIE的总体理念和机制
【通过应变适应实现瞬时且一致的粘附】
为了获得具有高信噪比的精确现场心脏信号，理想的心脏装置应该在组织的整个区域上表现出良好的适形接触以及紧密粘附而不会发生任何滑动。首先，通过使用具有高度多孔和纤维结构的基底材料，可以实现 SAFIE 贴片的相当大的顺应性，并完全覆盖粗糙的心脏表面。为此，该研究通过静电纺丝由4,4-亚甲基双(苯基脲)和异佛尔酮组成的聚(二甲基硅氧烷)低聚物制备了E-SHN，它是对应于贴片顶层的自修复纤维网络双脲单位 (PDMS-MPU0.4-IU0.6)。其次，为了实现心脏信号的高质量局部传感，贴片对心脏动态收缩/舒张运动的稳定和稳健的组织粘附非常重要。能够显示有效应变耗散的基底上的 Alg-CA 涂层可以提供针对连续机械应力的瞬时且持久的粘性。纤维状E-SHN的断裂能(10.3 kJ m−2)高于固体薄膜的断裂能(例如5.8 kJ m−2)，并且有效应力松弛与固体膜相比，在25°C下检测到E-SHN。 E-SHN的这种高断裂韧性和快速应力松弛特性有助于所有界面、粘合水凝胶、自修复弹性体和心脏组织之间的机械匹配。
作为E-SHN和心脏组织之间的界面层，该研究选择了一种受贻贝启发的粘合聚合物，即Alg-CA，因为它具有抗体液粘合力和通过脱水容易形成薄膜型涂层。在涂层过程中，Alg-CA可以渗透E-SHN的足够空隙空间，在E-SHN纤维之间形成互锁界面。这种互锁的 Alg-CA/E-SHN层可防止单个贴片在剪切应力下发生内聚破坏，从而增加其在组织上的瞬时粘合强度。此外，Alg-CA互锁的E-SHN在没有聚合物背衬基底的情况下仍能保持如此强大的组织粘附力，在猪心脏组织上显示出高达660%的拉伸。在500次拉伸/释放循环下，E-SHN与Alg-CA在组织上的粘附性能的机械可靠性也得到了证实。总而言之，带有Alg-CA的E-SHN可以最佳地用作心脏接口基板，在精确记录心脏信号时不会出现任何分层或故障问题。
图2|具有Alg-CA层的E-SHN的机械特性，用于心脏组织的保形性和粘附性
【EGaIn 的抗疲劳和生物界面能力】
自修复EGaIn复合材料的疲劳不敏感电导率在与心脏组织的连接中也发挥着关键作用。压力引起的拉伸使各个EGaIn颗粒能够很好地连接和排列，从而表现出电拉伸的可靠性。更重要的是，EGaIn复合材料在与重复心跳匹配时的残余应变和累积应力应最小化，以减少心脏组织的慢性疲劳。与固体填料基复合材料(含AgF)的循环拉伸性能相比，具有高韧性、高可逆性和动态应力松弛的EGaIn复合材料极大地消散了残余应变和积累的应力能，从而稳定地维持了电特性。
为了实现稳定的心脏接口，该研究确认了SAFIE贴片的阻抗，当拉伸至100%应变时，SAFIE 贴片在1至1,000 Hz的不同频率下表现出稳定且低的阻抗值。SAFIE贴片比单独的EGaIn 复合材料表现出更大、更稳定的电荷注入，这可能是由于EGaIn颗粒周围形成了氧化皮 (Ga2O3)。为了理解有效电荷注入的基本机制，假设粘合Alg-CA层和EGaIn复合材料之间存在潜在的化学络合。先前报道，Alg-CA粘合剂中的羧酸根和儿茶酚基团可以与EGaIn的Ga3+和/或In3+形成配位键。同时，其儿茶酚基团能够与心脏组织成分形成多个氢键/疏水相互作用。EGaIn-Alg-CA络合对于与心脏组织的长期稳定连接至关重要。
图3| EGaIn/SHP复合材料作为电极的电气和机械性能及其生物界面能力
【SAFIE的适形粘合和双向接口】
在进行心脏刺激和记录的体内测试之前，评估了SAFIE贴片的细胞相容性。尽管存在EGaIn颗粒的生物安全问题，但与不含或含有EGaIn复合材料的未处理E-SHN相比，对SAFIE贴片释放物的处理不会引起任何细胞毒性。为了强调SAFIE贴片与大鼠心脏组织稳定双向连接的体内适用性，该研究将其与三个对照样品进行了比较。结果证实，SAFIE贴片表现出强大的组织粘附性和高顺应性，在60秒内没有任何滑动或非接触问题，而其他装置要么滑动，要么部分从心脏脱离。基于这些结果，推断出SAFIE贴片基于网络形状的顺应性、动态应力松弛和瞬时组织粘附是实现稳定双向连接的关键因素。
图4|通过大鼠心脏的体内测试进行急性位点特异性心脏信号记录和刺激
【SAFIE在移动老鼠上的稳定双向接口】
缝合是一种具有代表性的传统装置固定技术，使可变形心外膜装置能够在麻醉动物中提供心电图信号监测和反馈刺激。然而，与不稳定的组织接触、耗时的手术和组织损伤引起的出血/术后炎症相关的某些关键挑战阻碍了清醒和运动动物模型中稳定界面的进展。在这方面，SAFIE贴片提供了有望在1分钟内实现轻松固定的功能。相比之下，缝合固定需要大约10 分钟；此外，SAFIE 贴片具有较高的组织安全性。这种独特的优势使得即使在自由移动和运动的大鼠中也能实现高度稳定的心电图信号监测。
图5 |与传统缝合相比，清醒大鼠的心电图信号记录和刺激
【小结】
该研究报道了一种柔软的生物电子贴片，它对心脏组织具有强大、瞬时和舒适的粘附力，用于刺激和现场记录。该方法依赖于纤维基材、抗疲劳液态金属复合电极和组织粘附聚合物的使用。该心脏装置可用于持久收集心脏信号，甚至可以收集患有心律失常的清醒动物的心脏信号。该方法可用于心血管疾病患者的实时心脏监测、精确诊断和反馈治疗。
来源：BioMed科技
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