华科大吴豪等 AM：可调水凝胶生物电子用于诊断周围神经病变

2023-11-05 来源：高分子科技

近日，国际权威期刊《Advanced Materials》上刊发华中科技大学吴豪等在柔性电子医工交叉领域的新成果，题为“Tunable Hydrogel Electronics for Diagnosis of Peripheral Neuropathy”(可调水凝胶生物电子用于诊断周围神经病变)，华中科技大学在读博士生杨淦光为论文第一作者，吴豪研究员为通讯作者,附属协和医院刘玉田医生为共同通讯作者。

周围神经病变作为最常见的神经系统疾病之一，由于致病因素多样，患者数量呈持续增长趋势。诊断为周围神经病变的患者往往会出现运动/感觉障碍，严重影响日常生活，长期的治疗和康复过程会给患者带来巨大的经济负担，因此，急需有效的早期诊断与及时干预来延缓病情的发展。目前，采集分析肌电图信号的幅值、传导速度和潜伏期被认为是评估神经损伤程度的有效方法。诊断过程中，由金属刺激电极施加脉冲电压引起的神经动作电位，并通过神经传导，最终由商用凝胶电极采集肌电图信号。然而由于受损神经的多样性(如：运动/感觉/混合神经)，信号幅度范围从微伏到毫伏不等，且检测位置多样性(如:手指/脚踝/手腕)，商用电极存在模量大，黏性低，可拉伸性差等缺陷，难以与皮肤共形贴附，极大地削弱了其刺激和采集性能，信号质量严重下降。此外，不同患者皮肤敏感性存在差异(如:多毛皮肤、幼儿皮肤和老年人松弛皮肤)，商用凝胶电极通常表现出不可调节的粘附性，剥离过程中可能导致患者不适。因此，如何实现电极粘性可调，柔性可拉伸性优化以及进一步提高电极的刺激采集性能，采集高保真度肌电图信号，最终确保高精度周围神经病变诊断和良性剥离成为研究关键。

近日，华中科技大学吴豪/刘玉田开发了一种聚天冬氨酸修饰的多巴胺/乙基离子液体水凝胶(PDEH)，具有快速可调的粘附性、增强的力学性能和导电性，以优化器件/皮肤界面。通过进一步嵌入银/液态金属(SLM)导电层，制备PDEH-SLM贴片，以实现周围神经病变精确诊断和良性剥离。通过采用一步电场处理诱导儿茶酚硼酸基团和静电键的断裂和重组，水凝胶实现了高速和大范围的粘性调控(猪皮基底:20秒，112倍;Pt基底:~0.1 s, 26倍)。同时，锌离子从锌阳极扩散与水凝胶网络形成金属配位键，拉伸性提高到1760%。为克服水凝胶的脱水和低导电性，离子液体被引入到水凝胶网络中，实现更高的电荷能力、更低的界面阻抗。考虑到由于皮肤拉伸变形导致柔性电极的电阻增加会降低信号质量，在水凝胶网络中嵌入SLM层来缓解这一问题。基于EGaIns与Ag薄片之间的锚定效应，在30%应变下，SLM层的电阻仅增加了~10%。通过表征刺激和记录性能，与商业电极相比，水凝胶贴片具有优越的电荷注入能力(CIC)、电荷存储能力(CSC)和更低的接触阻抗。此外，在长期、拉伸和不同粘附条件下，PDEH-SLM贴片仍然能够记录高保真度的信号。研究人员进一步在临床病例中采用水凝胶贴片采集感觉神经、运动神经和混合神经的肌电信号。通过分析肌电信号的幅值、传导速度和潜伏期，验证PDEH-SLM贴片诊断腓肠神经(感觉神经)、腓总神经(运动神经)、正中神经(混合神经)和桡神经(混合神经)等神经损伤的有效性。对于皮肤曲率大(手指)或皮肤松弛(老年人)的临床病例，由于其出色的柔性和粘性，水凝胶贴片可以实现紧密贴附。进一步电场诱导水凝胶贴片黏性削减，实现多毛皮肤和儿童娇嫩的皮肤上良性剥离。在具有不同黏性需求的临床病例中，通过比较水凝胶器件和商用电极采集的肌电图，得出了一致的神经损伤诊断结论，验证了水凝胶贴片在周围神经病变诊断中的有效性。