一種海綿狀形式的多孔柔性有機(jī)硅復(fù)合材料

印刷生物傳感器可實現(xiàn)對生物體細(xì)胞到器官各個水平的檢測與傳感，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。直接打印技術(shù)（DIW）可在各種生物基材上進(jìn)行快速原型設(shè)計和定制具有幾何復(fù)雜性的多功能生物傳感器。這種方法消除了對傳統(tǒng)基于光刻技術(shù)通常需要的多個步驟、掩模和專用工具的需求。DIW使用導(dǎo)電聚合物油墨或含有導(dǎo)電納米填充劑的有機(jī)硅復(fù)合油墨作為打印原料，為此，需要精確控制油墨的流變學(xué)性質(zhì)，以實現(xiàn)（1）高精度印刷適應(yīng)性，以便在微尺度上進(jìn)行復(fù)雜的渲染；（2）防止高密度分散的納米填料發(fā)生聚合以阻礙油墨正常流動。然而，這些油墨由于其粘彈性性質(zhì)，在周期性大應(yīng)變下表現(xiàn)出機(jī)械和電氣滯后，并且由于難以維持導(dǎo)電納米填料的滲透網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致導(dǎo)電性不可逆的降解。此外，由于界面處的低相互作用能及其固有彈性的差異，粘彈性油墨在大變形下可能會產(chǎn)生生物相容性基材分層的現(xiàn)象。這些油墨的根本局限性阻礙了它們在醫(yī)學(xué)上的實際應(yīng)用，特別是在需要對重復(fù)負(fù)荷進(jìn)行可靠記錄的條件下，例如心臟跳動。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于以上問題，美國普渡大學(xué)西拉法葉分校機(jī)械工程學(xué)院（School of Mechanical Engineering，Purdue University，West Lafayette）的研究人員制備了一種海綿狀形式的多孔柔性有機(jī)硅復(fù)合材料，具有優(yōu)異的流變性能，可實現(xiàn)微量級DIW。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料其具有優(yōu)異的可逆可壓縮彈性，可有效抑制重復(fù)加載循環(huán)中機(jī)械和電氣的滯后。同時，其具有超低的模量（E<30kPa）和優(yōu)異的柔性，與人類心臟組織（29-41kPa）相當(dāng)。相關(guān)研究成果以“Rapid custom prototyping of soft poroelastic biosensor for simultaneous epicardial recording and imaging”為題發(fā)表在期刊Nature Communications上。

具體來看，研究人員首先通過非侵入性超聲成像對心肌進(jìn)行四維（4D）分割（即心臟周期上的3D幾何體積），捕獲心臟梗死區(qū)域的整體大小，幾何形狀和結(jié)構(gòu)（圖1a），然后，在120°C的加壓熱蒸汽條件下，將預(yù)聚物油墨的選擇性圖案化痕跡聚合成孔徑為5-50μm的無定形海綿狀形態(tài)，并在其中加入Ag片，最后，再加入油墨，填充網(wǎng)格，并用PVA薄膜將器件從Si片上剝離下來，然后使用剪刀修剪以去除多余的區(qū)域（圖1b-e）。

圖1 多孔柔性生物傳感器關(guān)鍵工藝步驟和光學(xué)圖像

DIW使用的油墨的流變特性是控制印刷設(shè)備印刷適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵參數(shù)。為了實現(xiàn)最佳的流變性能，研究人員通過調(diào)控原材料之間不同的比例，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)效果。圖2a的結(jié)果表明，二氧化硅粒子的加入，可增強(qiáng)樹脂的混溶性。研究人員還測試了材料的流變性質(zhì)，如圖2b-d所示，油墨表現(xiàn)出剪切變稀行為，其中其粘度隨著剪切速率的增加而降低。通過進(jìn)一步的比例調(diào)控和測試，研究人員所制備的材料具有與人類心臟組織（E=29-41kPa）相當(dāng)?shù)某陀行C(jī)械模量（E=29±12kPa），可實現(xiàn)對組織施加最小應(yīng)力的方式在心外膜表面上輕輕地連接。此外，通過循環(huán)測試和滯后測試，該材料表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和較小的滯后性。

圖2 多孔柔性生物傳感器材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系

此外，研究人員所制備的多孔柔性生物傳感器可根據(jù)不同動物的心臟進(jìn)行定制打?。▓D3a），通過對比可以看出（圖3b），該打印設(shè)備具有較寬的打印空間分辨率。此外，在該研究中，雙極性記錄配置不僅用于降低共模噪聲（如電力線干擾），還用于抑制串?dāng)_以高保真度記錄心電圖（ECG）信號。

圖3 快速定制打印多孔柔性生物傳感器

進(jìn)一步地，研究人員評估了定制打印器件在體內(nèi)健康小鼠（n=5）和豬心臟（n=2）中心外膜心電圖（ECG）的時空記錄中的能力。在應(yīng)用溫鹽水溶液溶解薄膜后，將器件（50μm厚）通過毛細(xì)管粘附力緊密粘附在心外膜表面（圖4a）。圖4b顯示了時空記錄的小鼠（左圖）和豬（右圖）心電信號的后處理3D數(shù)據(jù)的相應(yīng)測量結(jié)果。應(yīng)變不敏感的多孔彈性行為（即，在循環(huán)負(fù)載下可忽略不計的電滯后，應(yīng)變?yōu)?30%）及其在跳動的心外膜表面上的穩(wěn)態(tài)接觸使得心外ECG信號的高保真度采集不會隨時間推移而明顯降低信號質(zhì)量（圖4c）。

圖4 定制柔性傳感器用于體內(nèi)心外膜心電圖信號的時空記錄

術(shù)中心外膜測繪有助于定位病理生理疾病起源的關(guān)鍵區(qū)域，例如急性心肌梗死后心律失常，從而為指導(dǎo)手術(shù)治療提供重要信息，特別是當(dāng)需要確定梗死邊界時。為了證明定制打印器件在這種手術(shù)環(huán)境中的效用，研究人員在體內(nèi)小鼠急性心肌梗死模型中對心外ECG信號進(jìn)行了術(shù)中時空映射。成年小鼠接受左開胸術(shù)以暴露心臟的腹側(cè)部分，然后在心外膜表面上放置定制打印的傳感器陣列（共六個雙極記錄通道）以覆蓋心室性心痺（圖5a）。永久固定左冠狀動脈的手術(shù)按照先前研究中報告的相同程序進(jìn)行。心外膜心電圖測量的代表性結(jié)果如圖5b所示。圖5c顯示了使用三導(dǎo)聯(lián)電極組同時獲得的控制測量結(jié)果，顯示了倒易的ST段凹陷以確認(rèn)缺血事件的發(fā)生。上述結(jié)果表明，該器件與心外膜表面保持了緊密的耦合，在整個記錄期間（30min超10000次跳動）沒有改變位置。

圖5柔性傳感器用于小鼠心肌梗死模型的術(shù)中心外膜標(biāo)測

由于開放式網(wǎng)格布局和薄膜設(shè)計（50μm厚），器件的半透明性使同時超聲成像成為可能，作為實時驗證心肌梗死區(qū)域的位置和大小的手段。圖5d為實驗裝置，圖5e顯示了具有代表性的短軸超聲圖像，清楚地可視化了裝置（黃色圓圈）以及心臟的上瞼（藍(lán)色圓圈）和心內(nèi)膜（紅色圓圈）。圖5f顯示了從超聲圖像和連接60秒后時空記錄的ECG信號重建的后處理3D圖像。這些結(jié)果證實，隨著器件厚度的減小，成像偽影（例如，記錄電極對的陰影）被最小化。

最后，研究人員對器件的生物相容性，抗生物污染能力和對心臟功能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的評估。

圖6 柔性傳感器生物相容性、抗生物污染和對心臟功能的影響

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23959-3

審核編輯 ：李倩