《AS》溫敏粘性打印水凝膠混合電子系統(tǒng)，用于神經生理監(jiān)測

英文標題：A Printed Hydrogel Hybrid Electronic System With Thermoresponsive Adhesion for Neurophysiological Monitoring

原文DOI：10.1002/advs.76396

1

成果簡介

神經系統(tǒng)疾病會嚴重損害患者的日常生活，因此需要對神經傳導通路損傷進行精確評估，以指導有效的診斷和治療。然而，目前的臨床神經診斷設備不僅價格昂貴、體積龐大，而且局限于醫(yī)院環(huán)境。此外，傳統(tǒng)電極的剛性特質和低粘附性，容易導致采集到的神經生理信號質量低下。在此，該工作開發(fā)了一種由印刷響應型水凝膠電極組裝而成的軟質混合電子系統(tǒng)。通過合成溫敏水凝膠微球墨水，實現(xiàn)了界面層的快速直寫打印圖案化。基于水凝膠微球的熱觸發(fā)“水合-脫水”策略，該水凝膠電極展現(xiàn)出可定制的粘附性能，不僅能與皮膚緊密貼合以進行高保真信號采集，還可以在監(jiān)測結束后溫和脫附。通過水凝膠界面改性，皮膚表面電極在電刺激方面表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷注入能力，并提升了信噪比（SNR）。將水凝膠貼片與混合電子系統(tǒng)集成，能夠高頻、高保真地采集微弱的神經傳導信號。我們進一步將該系統(tǒng)應用于臨床病例中正中神經和尺神經損傷的評估，在確保定制化粘附力調節(jié)的同時，實現(xiàn)了對神經受損的精確診斷。這一用戶友好型系統(tǒng)作為一種低成本、便攜式的診斷平臺，在遠程醫(yī)療、家庭護理和臨床環(huán)境中具有廣闊的應用前景。

2

研究亮點

• 溫敏可調控粘附機制：微球網絡常溫下通過氫鍵鎖水呈溶脹態(tài)，提供緊密貼合。加熱至40℃以上時，微球網絡迅速坍縮脫水，使粘附強度從 8.6 kPa 減至 3.6 kPa ，實現(xiàn)溫和、無損剝離。

• 高導電與高刺激特性：打印的 TDH 電極展現(xiàn)出極低的接觸阻抗（1 kHz 處僅 10.87 Ω） 、極高的電荷注入能力（CIC = 0.107 mC/cm2） 和電荷存儲容量（CSC=0.611mC/cm2）.

3

圖文解析

圖 1. （A）用于外周神經系統(tǒng)診斷的溫敏打印水凝膠（TDH）電極的示意圖。（B）神經功能正常與異常受試者的電生理信號分析。（C） 硬件系統(tǒng)的架構示意圖。（D）TDH 的組成與制備示意圖。（E）電子系統(tǒng)的功能框圖。（F）TDH 電極正面（i）和背面（ii）視角的照片。（G）混合電子系統(tǒng)共形貼附于皮膚（i）以及 TDH 電極從皮膚上剝離（ii）的圖片。

圖 2. (A) 熱響應水凝膠微球（PNPMs）合成過程的示意圖。(B) 分別經低溫和真空冷凍技術處理后的 PNPMs 掃描電子顯微鏡圖。(C 和 D) 水凝膠油墨的儲能模量和損耗模量隨時間 (C) 以及角速度 (D) 的變化曲線。(E) 微球的粘度-剪切速率曲線以及剪切應力-剪切速率曲線。(F) 上述不同粒徑微球的三步觸變性測試曲線。(G) PNPMs 在熱循環(huán)過程中的粘度變化。(H) 打印過程的圖片，以及在不同壓力、步進速度和噴嘴高度下的顯微鏡圖片。

圖 3.（A）水凝膠墨水直接打印與交聯(lián)過程的示意圖。（B）TDH 電極貼附于皮膚、被拉伸、被剝離的圖片。（C）水凝膠/皮膚界面的粘附調控機制：實現(xiàn)與皮膚的緊密結合（i）以及由熱觸發(fā)的溫和剝離（ii）。（D）CMC-DA 以及基于 CMC 的水凝膠傅里葉紅外光譜。（E）粘附強度測試的示意圖以及 TDH 粘附在豬皮上的照片。（F）TDH 在不同 CMC-DA 濃度下的粘附強度曲線。（G）TDH 在不同溫度下的粘附強度。（H）TDH 在 20 次重復剝離循環(huán)過程中的粘附強度。（I）TDH 在 0% 至 50%、75% 和 100% 應變的不同加載-卸載條件下的應力-應變曲線及滯回曲線。

圖 4.（A）TDH 電極的照片。（B）TDH 電極、商用電極以及 ECC 電極之間的接觸阻抗對比。（C）上述電極在靜態(tài)和振動條件下的信噪比。（D）上述電極所記錄的肌電信號對比。（E 和 F）三種不同電極的電荷注入曲線（E）和循環(huán)伏安曲線（F）。（G）不同電極在不同循環(huán)條件下的電荷存儲容量。（H）TDH 電極與以往報道的柔性電極在柔軟度、可調粘附力、免模具化以及抗偽影性能的對比。

圖 5. （A）TDH 和 PDMS 共同培養(yǎng)的人永生化角質形成細胞的熒光顯微鏡圖像，細胞經鈣黃綠素-AM和碘化丙啶染色。（B 和 C）通過 CCK-8 法計算出的在基于 TDH 的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的 HaCaT 細胞的相對增殖率和細胞活力。（D）上肢體感誘發(fā)電位和下肢體感誘發(fā)電位的測試示意圖。（E）使用 TDH 電極和商用電極記錄的 SSEP 波形信號對比。（F）通過 TDH 電極和杯狀電極采集的 SSEP 信號的振幅與潛伏期對比。

圖 6.（A）刺激與記錄過程中肌電信號傳導的示意圖。（B）用于采集健康受試者神經生理信號的 TDH 電子系統(tǒng)的照片。（C）評估運動和感覺神經分支的標準診斷流程。（D）TDH 電子系統(tǒng)的刺激輸出特性。（E）TDH 電子系統(tǒng)接收到的不同振幅的正弦波、三角波和方波。（F）受試者尺神經和正中神經的電生理信號。（G）正中神經監(jiān)測。用于監(jiān)測運動和感覺神經分支電位的 TDH 電極貼附于皮膚的照片。（H）由商用電極和 TDH 電極記錄對應的神經生理活動。（I）使用上述電極記錄的肌電圖振幅對比。（J）尺神經監(jiān)測。尺神經電極位置示意圖以及貼附于受試者手部以獲取尺神經運動和感覺信號的 TDH 電極照片。（K）商用電極與 TDH 電極記錄的神經生理信號對比。（L）使用上述電極測得的尺神經潛伏期和傳導速度的對比。

4

研究結論

本研究報道了一種具有熱響應粘附特性的印刷水凝膠混合電子系統(tǒng)，成功用于神經生理信號監(jiān)測。該集成系統(tǒng)由水凝膠電極、定制設計的信號采集硬件以及分析軟件組成。凝膠電極首先通過反相乳液聚合合成了基于N-異丙基丙烯酰胺的熱敏微球。通過調節(jié)前驅體溶液的流變學性質，實現(xiàn)了對墨水粘度的按需及梯度控制，從而便于直接打印。此外，基于接枝策略，合成了羧甲基纖維素-多巴胺，通過多模態(tài)化學與物理相互作用來提高水凝膠的初始粘附性。合成了TDH電極，TDH 同時還可以作為通用界面層，實現(xiàn)與各種組織和軟基底的無縫集成，在生物電子領域的皮膚貼合器件/系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。TDH 能夠對復雜的皮膚表面、保持穩(wěn)固的粘附，從而有利于獲取高保真、低偽影的原始數(shù)據。不僅如此，其熱響應特性使得用戶可以通過熱激活實現(xiàn)按需脫附，避免在脫離過程造成對皮膚的傷害。通過優(yōu)化粘附性、柔軟度和導電性，該皮膚貼合電極顯著提高了刺激效率和信號記錄質量。與商用電極相比，TDH 電極展現(xiàn)出更低的接觸阻抗、更高的信噪比以及更優(yōu)異的電荷注入容量和電荷存儲容量。該系統(tǒng)在更廣泛的神經系統(tǒng)疾病監(jiān)測場景中展現(xiàn)出巨大的應用潛力，同時在監(jiān)測過程中確保了患者的舒適度和操作的便利性。