近日，《科学进展》（Science Advances）刊发华中科技大学吴豪团队等在柔性电子领域的新成果，题为“A reusable hydrogel biosensor array with electrically responsive hydrogel interfaces for non-invasive locating of perforating arteries” (电场响应型可重复使用水凝胶生物传感阵列用于无创穿支血管定位)，华中科技大学博士生杨淦光、仇裕淇为论文共同第一作者，吴豪教授为通讯作者, 尹周平教授与附属协和医院刘玉田医生为共同通讯作者

  在医疗健康监测应用领域中，传统商用监测系统主要由刚性模块组成，柔性差，粘性低，难以与皮肤紧密集成，并易受运动伪影影响，导致采集的信号保真度严重降低。近年来，柔性电子系统由于采用柔性材料制成，展现出优异的可拉伸性、力学适应性，可与皮肤保型贴附，并通过集成硅基芯片来实现生理信号监测功能，在可穿戴设备、健康监测和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。然而，当前柔性电子系统仍面临以下关键挑战：(1)材料与器件制造成本较高; (2)器件在长期使用后因污染或性能退化而引发交叉感染或功能失效，严重限制了其在实际应用场景中的推广。因此，急需开发兼具精准性、易操作、皮肤相容性的可重复使用水凝胶电子系统。

  近日，华中科技大学吴豪团队提出电场诱导通用策略，开发了新型电场响应性水凝胶界面层，构建了可快速分离/重组的器件/水凝胶界面，赋予柔性电子系统重复使用能力。同时，通过电场诱导增强水凝胶/皮肤界面的粘附性，实现了水凝胶电子系统高保真信号采集。本研究进一步将开发的柔性水凝胶生物传感系统，用于穿支血管定位。临床结果表明，该水凝胶传感器阵列能够准确、快速地定位不同类型游离皮瓣中的穿支血管，并通过电场诱导水凝胶界面拆卸更换，实现柔性传感器的重复使用。所提出的水凝胶界面设计策略不仅避免了交叉感染风险，还显著降低了设备成本，为生物医学领域可重复使用柔性电子器件的开发提供了新途径。

  为实现水凝胶传感阵列与皮肤的共形贴附及柔性电子系统重复使用，本研究提出电场响应水凝胶界面调控策略。水凝胶界面层网络主要由水凝胶微球与聚丙烯酰胺链构成。其顶层设计为可拆卸的器件/水凝胶界面，底层则形成无缝耦合的水凝胶/皮肤界面。水凝胶生物传感器阵列通过数字信号处理技术计算各测量位点PPG信号的交流分量幅值,并以热力图形式可视化分布以实现穿支血管的快速定位。

图1.可重复使用水凝胶生物传感器阵列的设计

  本研究提出了一种通用的电场诱导策略来实现可拆卸水凝胶界面设计。水凝胶界面层通过Fe3?-羧基配位键与聚丙烯酸(PAAC)修饰的柔性电路基底紧密键合。当施加电场诱导铁离子还原，界面网络发生凝胶-溶胶转变，结合强度显著降低117倍，实现水凝胶层快速拆卸，并在柔性器件上组装新的水凝胶界面层以实现器件的可重复使用。该通用策略可以扩展到简单的柔性传感器和复杂的柔性电子系统的制造。

图2.可拆卸器件/水凝胶界面设计

  在电场与重力场协同诱导下，水凝胶界面层中的微球向底部富集，同时微球中的邻苯三酚基团氧化为邻苯醌基团，通过静电耦合、氢键等物理粘附以及迈克尔加成、希夫碱反应等化学键合，实现了界面层与皮肤粘附强度的显著增强(>7 倍)，有效地促进了生物传感器阵列与皮肤之间的无缝集成进而提高信号采集质量。

图3.黏性增强的水凝胶/皮肤界面设计

  该研究进一步证实了该水凝胶生物传感器阵列可有效实现临床病例中穿支血管精确定位。研究结果表明，该水凝胶传感器定位准确性与金标准CT血管造影[CTA]相当，且不会产生假阳性结果，优于临床的手持式多普勒超声[ADS]方法；此外，针对不同皮瓣类型，该阵列可在4分钟内完成上/下肢皮瓣供区内单/多穿支血管定位。在临床测试过程中，本研究通过电场处理拆卸水凝胶界面层并重新键合新的水凝胶界面层以实现生物传感器阵列的重复利用,以降低整体医疗成本并防止交叉感染。与传统技术相比，水凝胶传感阵列具有定位精准、操作者独立性、便携性和无线传输等优势。成本分析进一步表明柔性电子系统重复使用多次后可使单次手术成本显著下降。

图4.可重用水凝胶传感阵列用于临床穿支血管定位

  相关工作得到了国家自然科学基金项目(52188102, 52350121, 52475018, 82201548)以及华中科技大学机械科学与工程学院STAR项目的支持。

  相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6166