柔性电子器件助力医疗器械

在微创手术过程中，医生需要利用集成有传感器的医疗器械对体内的多种信号进行实时检测与评估。将医疗器械上的传感器替换为多功能、阵列化的柔性电子器件，则有望实现更为精准的检测和更加安全、高效的治疗，以提升微创手术的效率。

柔性电子被广泛应用于可穿戴设备、植入式器件等领域，其显著优势在于：

(1)柔性的电子器件可以与生物组织形成紧密的接触，实现高精度的检测;

(2)柔性的电子器件不会对生物组织造成损伤。

最近，西北大学John A. Rogers教授课题组、黄永刚教授课题组与乔治华盛顿大学Igor R. Efimov教授课题组在Nature Biomedical Engineering上发表了题为“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的研究论文，提出了一种多功能、多路复用的柔性电子阵列结构，可与医用导管相集成，有望使未来的微创心脏手术更加安全高效。

医用导管可以通过较小的切口植入生物体，并进行一系列的诊断与治疗。例如，在心脏微创手术中，外科医生可以通过集成有电极的导管对心内膜的电信号进行检测，并通过局部加热的方式烧蚀部分心肌组织，实现对心律不齐的治疗。

医用导管已经成为微创手术中十分重要且有效的工具，但仍有进一步提升的空间。首先，导管上集成的电子器件体积较大且不具有柔性，无法与生物组织形成良好的接触，从而影响信号检测的精度;其次，导管上的电子器件数量减少、空间密度较低，每次检测时电子器件仅能与生物组织的某一小部分区域接触，无法同时获得大面积的信息;最后，目前的导管仅具有单一的功能，无法实现多物理量的同时测量。

基于此，研究人员用多功能的柔性电子阵列替换医用导管上的传统电子器件，构建了智能微创手术工具，并在Langendorff离体心脏灌流系统上展示了柔性电子阵列的多种诊断与治疗功能。整个系统的构建包括以下三个关键点。

关键点一：高密度、多功能的传感系统 对于单层的柔性电子器件阵列而言，高空间分辨率与多功能集成之间是互相矛盾的——将更多不同功能的器件相集成意味着每种功能的空间分辨率会降低。为此，研究人员采用垂直堆叠的方式，构建了多层柔性电子器件阵列，每一层器件具有单一的功能和较高的空间分辨率。通过多层叠加，实现了高密度、多功能的传感系统(图一)。

图一：多层柔性电子器件阵列。(a)示意图;(b)实物图。

关键点二：柔性、高精度压力传感阵列 为满足心脏微创手术的需求，多功能传感阵列需具有压力检测功能，以评估导管与心肌组织的接触情况;需具有电生理信号检测功能，以检测不同位置的心电信号;还需具有温度检测功能，以评估射频消融治疗的效果。其中，柔性、高精度的压力检测是整个系统的难点之一。

目前，很多关于柔性压力传感器的研究侧重点在于新材料的开发，这些新材料虽然具有很高的灵敏度，但本征上具有一定的迟滞，限制了其在高保真度压力检测方面的应用。

研究人员所构建的压力传感阵列基于金属应变片，本征上不具有迟滞。然而，传统的金属应变片对正向压力非常不敏感，无法满足心脏微创手术的需求。通过三维屈曲的方法，可以并行化地将近百个金属应变片转变为三维结构(图二)。

当施加正向压力在这种具有三维形貌的金属应变片时，压力会导致三维结构形变，从而引起金属的电阻变化。在三维结构上方增加不同尺寸的空腔结构，还可以精确调控压力传感器的灵敏度，满足不同应用的需求。

图二：三维压力传感阵列。(a)阵列实物图;(b)与空腔结构集成的三维压力传感阵列;(c)单个压力传感器受到正压力时的有限元仿真结果;(d)压力传感器灵敏度的有限元仿真结果;(e)压力传感器性能的实验测试结果。

关键点三：柔性电子器件的治疗功能 大部分柔性电子器件仅具有检测功能，而心脏微创手术过程中需要通过射频消融、不可逆电穿孔等方式来治疗心律不齐。研究人员以电极阵列为媒介，通过向电极阵列输入不同类型的电信号来实现多种治疗功能(图三)。

例如，输入高频正弦信号可以使心肌组织内部的离子产生搅动，导致温度的升高，实现射频消融治疗;采用鸡胸肉可以对射频消融的效果进行体外实验验证，经过射频消融的鸡胸肉由于温度升高产生会发白的现象。

又如，输入高压脉冲信号可以在电极之间产生高电场，使心肌细胞因不可逆电穿孔而凋亡;采用土豆可以对不可逆电穿孔的效果进行体外实验验证，经过高压电场的土豆由于细胞膜破裂会释放出酚氧化酶，从而促进土豆内的酚类化合物氧化而产生发黑的现象。

图三：柔性电子阵列的治疗功能。(a)射频消融所施加的电信号;(b)在鸡胸肉上进行射频消融的实物图，白色区域为射频消融后的区域;(c)不可逆电穿孔所施加的电信号;(d)在土豆上进行不可逆电穿孔的实物图，黑色区域为不可逆电穿孔后的区域。

进一步地，研究人员将上述多功能柔性电子阵列与多种球囊导管集成，构建了智能微创手术工具(图四)。当球囊收缩时，附着在球囊上的多功能柔性电子阵列能够以微创的形式植入生物体。

在植入后，多功能柔性电子阵列随着球囊膨胀，与生物组织形成紧密接触，从而实现高精度的检测与高效率的治疗。相关结果在Langendorff兔心脏(图五)和Langendorff人体心脏(图六)进行了验证。

图四：集成有柔性电子器件阵列的球囊导管。

图五：集成有多功能电子器件阵列的球囊导管在Langendorff兔心脏的测试结果。(a)测试示意图;(b-d)电生理信号研究;(e-g)射频消融治疗及温度信号检测;(h,i)心电信号与压力信号的同时采集。

图六：集成有多功能电子器件阵列的球囊导管在Langendorff人体心脏的测试结果。(a)测试示意图;(b)Langendorff人体心脏心内膜实物图;(c,d)电生理信号研究;(e-k)电学检测与光学检测的结果对比;(l,m)Langendorff人体心脏心内膜射频消融后的实物照片和组织切片照片。

美国西北大学Querrey Simpson生物电子研究所韩梦迪博士、西安交通大学材料学院陈林博士、以及乔治华盛顿大学生物医用工程学院Kedar Aras博士为本论文的第一作者。美国西北大学John A. Rogers院士和黄永刚院士、以及乔治华盛顿大学Igor R. Efimov教授为本论文的通讯作者。