Science | 赵选贺团队开发生物粘附性水凝胶-弹性体超声贴片，实现长期连续成像

超声广泛用于组织和器官的无创成像，但这种方法需要换能器和目标区域之间的紧密接触。这会使长时间获取图像变得困难，尤其是在患者需要移动的情况下。连续数天对内部器官进行成像可以提供有关健康和疾病的重要信息，并有助于深入了解发育生物学。 2022年7月28日，麻省理工学院赵选贺团队在Science 在线发表题为“Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs”的研究论文，该研究报告了一种生物粘附超声 (BAUS) 装置，该装置由一个薄而坚硬的超声探头组成，该探头通过一种由柔软、坚韧、抗脱水和生物粘附性水凝胶-弹性体混合物制成的耦合剂牢固地粘附在皮肤上。BAUS 设备可对各种内部器官（包括血管、肌肉、心脏、胃肠道、隔膜和肺）进行 48 小时的连续成像。BAUS 设备可以启用各种疾病的诊断和监测工具。

另外，2022年7月4日，麻省理工学院赵选贺，Hyunwoo Yuk及哈佛医学院Aristidis Veves共同通讯在Nature Biomedical Engineering（IF=29）在线发表题为“A strain-programmed patch for the healing of diabetic wounds”的研究论文，该研究报告了一种应变程序化贴片的开发和临床前治疗性能，该贴片可快速、牢固地粘附在糖尿病伤口上，并促进伤口闭合和再上皮化。该贴片由与预拉伸亲水弹性体背衬结合的交联聚合物网络的干燥粘合剂层组成，并实施基于水合的形状记忆机制，以基于分析和有限元的可编程方式机械收缩糖尿病伤口造型。在小鼠和人类皮肤以及小型猪和人源化小鼠中，该贴片通过促进更快的上皮再生和血管生成以及具有促再生表型的成纤维细胞群的富集来增强糖尿病伤口的愈合。应变程序贴片也可能有效治疗其他形式的急性和慢性伤口。

2022年2月2日，麻省理工学院赵选贺团队以封面的形式在Science Translational Medicine （IF=19）在线发表题为“An off-the-shelf bioadhesive patch for sutureless repair of gastrointestinal defects”的研究论文，该研究介绍了一种现成的生物粘附 GI 贴片，能够对 GI 缺陷进行无创伤、快速、稳健和无缝线修复。GI 贴片集成了一个非粘性顶层和一个干燥的生物粘性底层，形成了一种薄、柔韧、透明和即用型的贴片，具有组织匹配的机械性能。使用体外猪 GI 器官模型系统地表征了 GI 贴片的快速、稳健和无缝密封能力。与市售组织粘合剂（Coseal 和 Histoacryl）相比，体外和体内大鼠模型用于评估 GI 贴片的生物相容性和可降解性。为了验证 GI 贴片的功效，该研究在大鼠结肠、胃和小肠以及猪结肠损伤模型中展示了成功的无缝体内密封和愈合 GI 缺陷。所提出的 GI 贴片为修复 GI 缺陷的缝合线提供了一种有希望的替代方法，并为修复其他器官提供了潜在的临床机会。

2021年8月9日，麻省理工学院赵选贺等团队在Nature Biomedical Engineering 在线发表题为“Rapid and coagulation-independent haemostatic sealing by a paste inspired by barnacle glue”的研究论文，该研究报告了一种糊剂的设计、粘附机制和性能，该糊剂可在不到 15 秒的时间内止血密封组织，与凝血率无关。其设计灵感来自藤壶胶（由于嵌入富含脂质的基质中的粘性蛋白质，它强烈粘附在潮湿和受污染的表面上），该糊状物由排斥血液的疏水油基质组成，其中含有嵌入的微粒，在温和压力作用下，这些微粒与组织表面共价交联。在施加温和的压力（例如，10 kPa）时，疏水性油基质排斥血液，使压实的生物粘附微粒彼此相互作用并与下方的组织表面相互作用。随后，压实的生物粘附微粒相互交联并与组织表面交联，在 15 秒内形成牢固的粘附，无需额外的辅助手段，如紫外线照射或凝血。这种排斥交联机制使藤壶胶启发的生物粘合剂糊具有快速且不依赖于凝固的止血能力。

能够以无创方式持续监测人体生理的可穿戴设备代表了精准医疗和数字医疗的关键趋势。特别是，深层组织生理学，包括内部器官信号和动力学，包含有关健康和疾病的重要信息。尽管目前的可穿戴设备已经成功记录了来自皮肤的物理和化学信号，例如心电图数据和汗液代谢物和电解质，但各种内脏器官的临床级成像仍然是可穿戴设备领域的核心任务和挑战。零辐射超声成像使临床医生能够评估组织和器官功能并诊断各种疾病。如果在数天到数月内频繁采样，内部器官的超声成像可以帮助临床医生监测健康状况、观察疾病进展和评估疾病风险；它还可能导致对发育生物学的发现和更好的理解。可穿戴超声设备具有对内部器官进行连续成像的潜力。传统的可穿戴超声成像通常依赖于通过机器人系统或机械固定装置（例如带子和胶带）将笨重的超声探头安装在皮肤上，这妨碍了患者的移动性以及佩戴的便利性和舒适性。此外，传统的可穿戴式超声成像由于超声探头较厚且探头施加的压力较大，仅适用于肌肉等有限的身体部位。例如，将传统的超声探头机械安装在颈部以对颈动脉、颈静脉和迷走神经进行成像可能会导致窒息。

尽管可伸缩超声成像设备的可穿戴性有所提高，但它仍然存在成像分辨率低、身体运动过程中成像质量不稳定、连续成像时间短（1小时）以及设备容易发生故障等局限性 （连续成像持续时间被定义为设备可以粘附或佩戴在皮肤上的最长时间）。这些限制主要源于设备的设计，该设备由可拉伸基板上的压电元件组成。尽管可拉伸基材可以随皮肤变形，但它限制了元素的密度，并且与背衬和匹配层不兼容，导致成像分辨率低。此外，当基板在身体运动下随皮肤变形时，元件的空间和角度位置会发生不可预测的变化，这会影响设备的成像稳定性。此外，现有的可穿戴超声设备，无论是刚性的还是可拉伸的，都主要依靠水凝胶或弹性体耦合剂将声波传输到皮肤。然而，水凝胶耦合剂通常会在几个小时内脱水或从皮肤上脱落，而弹性体耦合剂的阻尼太大，无法对深层器官进行成像。该研究报告了一种生物粘附超声 (BAUS) 装置，该装置由一个薄而坚硬的超声探头组成，该探头通过一种由柔软、坚韧、抗脱水和生物粘附性水凝胶-弹性体混合物制成的耦合剂牢固地粘附在皮肤上。BAUS 设备可对各种内部器官（包括血管、肌肉、心脏、胃肠道、隔膜和肺）进行 48 小时的连续成像。 BAUS 设备可以启用各种疾病的诊断和监测工具。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

转自： iNature

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