【儀表網 研發快訊】1月29日，國際期刊National Science Review刊發機械學院吳豪教授、尹周平院士團隊在柔性電子醫工交叉領域的新成果，題為“具有可打印響應型水凝膠界面的柔性生物傳感器，用于檢測及區分血液循環并發癥”(A soft biosensor with printable responsive hydrogel interfaces for detection and differentiation of blood circulation complications)。機械學院2020級博士生仇裕淇、2022級博士生楊淦光為論文共同第一作者，吳豪教授為通訊作者，我校同濟醫學院附屬協和醫院副主任醫師劉玉田、新加坡國立大學教授吳昌盛為共同通訊作者，尹周平院士等為共同作者。
 

　　嚴重的軟組織缺損在臨床上十分常見，游離皮瓣移植術是主要的治療手段。然而，術后移植皮瓣易出現靜脈淤血、動脈痙攣、動脈阻塞等血液循環并發癥。這類并發癥的發病率高，嚴重威脅皮瓣的存活。因此，及時檢測并精準區分血液循環并發癥對于優化術后治療方案、提高皮瓣存活率具有重要意義。盡管目前已經開發了多種血液循環監測技術，但仍存在重大缺陷，如采集信號質量較低、無法區分動脈和靜脈并發癥、數據解讀不便以及監測成本高昂。近年來，柔性電子系統憑借優異的可拉伸性、貼附性與生物相容性等特性，成為解決上述問題的一種極具前景的技術方案。然而，針對術后皮瓣血液循環監測的臨床應用場景，受移植皮瓣組織脆弱性的限制，柔性電子系統需滿足嚴苛的界面需求，即在監測期間需與皮瓣皮膚緊密耦合，以實現高保真度信號的穩定采集；監測完成后可從皮瓣表面溫和剝離，以避免對組織造成二次損傷。
 

　　為解決上述技術挑戰，研究團隊開發了具有可打印響應型水凝膠界面的柔性生物傳感器，實現了對術后游離皮瓣中血液循環并發癥的精確檢測及區分。水凝膠界面層具有優異的初始黏性(27.8 kPa)和大范圍黏性調控性能(>10.8 倍)。此外，為滿足柔性系統中水凝膠界面層的復雜集成要求，通過調節水凝膠墨水流變特性，實現了水凝膠墨水高精度直寫打印，且在30秒內即可完成水凝膠界面層的快速圖案化制造。
 

圖為柔性生物傳感器的設計與集成。
 

　　將該傳感器應用于術后游離皮瓣的血液循環監測時，其可與術后皮瓣緊密黏附以實現光電容積脈搏波(PPG)及溫度信號的高質量采集，監測完成后可通過熱觸發實現其與皮瓣皮膚的溫和剝離以避免組織損傷。研究團隊基于PPG信號的形態學分析，提出了血運監測新指標，即平衡指數，實現了對靜脈血運障礙的定量化檢測。該傳感器通過同步監測平衡指數、灌注指數及皮膚溫度，可實現不同類型血液循環并發癥的精準檢測及區分，優于臨床評估及現有血運監測技術(O2C系統)。
 

圖為柔性生物傳感器應用于游離皮瓣術后血液循環監測。
 

　　該研究提出了可打印熱響應水凝膠通用界面設計策略，可實現表皮電子系統與皮膚粘附強度的按需調控。該研究提出的柔性生物傳感器具有高精度、便攜式、低成本等優勢，在醫療健康監測領域具有廣闊的應用前景。
 

　　相關工作得到了國家自然科學基金原創探索及其延續資助項目、卓越研究群體等項目以及機械學院STAR項目的支持。