生物傳感器在非侵入式監(jiān)測技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用

 

嚴(yán)重的軟組織缺損和肢體離斷在臨床上很常見，游離皮瓣移植術(shù)和斷指再植術(shù)是主要治療方法，而血運(yùn)障礙是最常見的術(shù)后并發(fā)癥，多發(fā)于術(shù)后48小時(shí)內(nèi)，嚴(yán)重的可導(dǎo)致組織壞死以至手術(shù)失敗。因此，術(shù)后血運(yùn)狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測至關(guān)重要。盡管顯微外科領(lǐng)域已經(jīng)引入了多種監(jiān)測技術(shù)，但現(xiàn)有的技術(shù)均難以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、連續(xù)、精準(zhǔn)、對(duì)術(shù)后創(chuàng)面形貌具有良好適應(yīng)性的理想監(jiān)測。目前最常使用的監(jiān)測方法仍是由醫(yī)護(hù)人員對(duì)術(shù)后創(chuàng)面進(jìn)行評(píng)估，但這種手段取決于評(píng)估者的工作經(jīng)驗(yàn)。因此，迫切需要開發(fā)無創(chuàng)、定量、準(zhǔn)確、快速反應(yīng)和易于使用的監(jiān)測技術(shù)。

鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于非侵入式監(jiān)測術(shù)后游離皮瓣與再植斷指血運(yùn)狀態(tài)的表皮生物傳感器。該傳感器由柔性前端、柔性互聯(lián)排線、硬質(zhì)主控后端組成，其中柔性前端可共形貼附在患者術(shù)后創(chuàng)面以采集監(jiān)測部位的光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)，主控后端可進(jìn)行信號(hào)的進(jìn)一步處理及分析，并將監(jiān)測結(jié)果顯示在相應(yīng)的APP界面中。

圖為表皮生物傳感器的設(shè)計(jì)與測量性能

研究團(tuán)隊(duì)受自然梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過調(diào)整鉑 (Pt) 催化劑的擴(kuò)散過程，制備出既具有自粘性又可穩(wěn)定集成硅基芯片的具有梯度交聯(lián)密度的PDMS（GCD-PDMS）。GCD-PDMS的一側(cè)保持可調(diào)的粘性，使得傳感器可以與皮膚保形接觸以進(jìn)行精確測量，同時(shí)通過對(duì)梯度固化的調(diào)節(jié)，可以保證粘性不致過大，從而保證器件從皮膚剝離時(shí)術(shù)后組織不受損傷。同時(shí)，GCD-PDMS的另外一側(cè)可以保持較高的交聯(lián)程度，維持較高的硬度和良好的機(jī)械性能，能夠集成硬質(zhì)硅基芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的柔性混合集成。

圖為梯度固化界面的設(shè)計(jì)原理與功能

詳細(xì)闡述了梯度固化的原理和調(diào)控方法，并通過GCD-PDMS橫截面方向的硬度與模量的測試驗(yàn)證了梯度固化的效果。同時(shí)展示了GCD-PDMS粘性一側(cè)的粘性可調(diào)特性。

驗(yàn)證了GCD-PDMS界面的生物兼容性，利用大鼠血管阻塞模型，證明了傳感器測量血運(yùn)的準(zhǔn)確性和有效性。臨床研究表明，表皮生物傳感器在識(shí)別微血管血運(yùn)狀況方面比目前的臨床方法更準(zhǔn)確，反應(yīng)更快。通過與激光多普勒血流法和組織氧測量法 (O2C系統(tǒng)) 比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了傳感器的準(zhǔn)確性和識(shí)別動(dòng)脈和靜脈血流灌注功能不全的能力。同時(shí)，通過對(duì)比展示了表皮傳感器無線、便捷、對(duì)脆弱組織造成損傷小的優(yōu)勢(shì)。

本研究提出的GCD-PDMS可以作為表皮電子設(shè)備與人體皮膚之間界面設(shè)計(jì)的通用策略。此外，動(dòng)物和臨床研究表明，本研究提出的生物傳感器可以準(zhǔn)確地識(shí)別游離皮瓣和再植斷指的血運(yùn)狀況，具有無創(chuàng)、無線、連續(xù)、定量和易于使用的優(yōu)點(diǎn)，在推動(dòng)生物傳感系統(tǒng)面向高性能、小型化、便攜式方向發(fā)展具有重要意義。
吳豪為第一作者及通訊作者，附屬協(xié)和醫(yī)院劉玉田與復(fù)旦大學(xué)李卓研究員為主要共同作者。

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