上世紀50年代，世界上第一臺可植入人體的心臟起搏器問世，并后來由瑞典胸外科醫生Ake Senning首次臨床試驗成功。發展至今，起搏器繼續在世界范圍內用于治療許多心臟疾病。這些設備可使人體最重要的器官保持其節律，以保存并延長患者多年的生命，在關鍵時刻有著起死回生的作用。
起搏器（圖源網絡）
目前，用于監測和治療心律不齊及其他心臟問題的起搏器和其他可植入心臟設備通常具有兩個缺點之一：
1）它們由無法移動以適應跳動的心臟的剛性材料制成；
2）由可以吸收心臟跳動的柔軟材料制成，但是僅收集有限的信息。
那么，能否制造即柔軟又可以收集多種生理信息的心臟起搏器呢？
近日，美國休斯頓大學余存江等人報道了一種由完全橡膠的電子產品制成的貼片，該貼片可以直接放在心臟上，以同時收集電生理活動，溫度，心跳和其他指標。這標志著基于與心臟組織兼容的全橡膠電子材料被首次用于生物電子學，從而使該設備能夠解決以前由剛性電子材料制成的心臟植入物的局限性。成果發表在Nature Electronics（IF=27.5）上。
模量接近心臟
貼劑完全由柔軟的橡膠材料制成，它是以橡膠導體、半導體和電介質為基礎，通過涂層和印刷等低成本制造工藝制成的一種亞毫米厚的彈性電子薄片，其模量接近心臟組織的模量（數十kPa至?1 MPa）。貼片含有橡膠狀晶體管陣列、應變傳感器、溫度傳感器/熱致動器和用于心外膜傳感、刺激和能量收集的機電傳感器。由于封裝和使用復合材料，這些晶體管在生物流體中可穩定幾個星期。
圖|柔軟的橡膠心外膜生物電子貼片
該設備能干什么？
1.全方位監測
研究結果表明，基于貼片的形式，該陣列通過器件與器官之間的無縫界面提供了時空電位映射和電起搏功能，即可以實現對心臟全方位多個位置的監測，包括跳動的心臟變形時的電生理活動，應變和溫度。這可以實現迅速找出患有心律不齊或心臟病發作的人的問題所在。還證明了生物電子貼片可以用作臨時植入物，以在持續數小時的心臟手術期間向外科醫生提供關鍵信息。在幾個小時的過程中，未觀察到心臟受損，并且斑塊也未明顯影響心跳。
值得注意的是，可以通過更密集的傳感節點進一步提高空間分辨率。基于有源矩陣的ECG傳感器和起搏器陣列呈現出陣列設備的相當均勻和可靠的電氣特性，并具有100％的高成品率。
圖|全橡膠晶體管有源矩陣在體內的電生理映射
2.自供能
除此之外，該設備還可以從心臟跳動中收集能量，從而實現無需外部電源即可自身運行，以替代長期以來對植入式設備的有限電源挑戰。
One More Thing：
除了可以監測心外膜溫度，通過使用相同的結構，溫度傳感器可以用作熱致動器，該熱致動器對于組織壞死和可能的腫瘤破壞是有用的工具。這種設計選擇對于設備集成是有利的，因為只需單個設備設計即可實現溫度感測和熱消融的功能。實驗研究表明：熱致動器產生約60°C的熱執行器，足以引起壞死。
圖|在體內驗證橡膠狀物理傳感器和設備用于消融和集能
小結：
本文報道了一種柔軟且可拉伸的生物電子系統，該系統僅由模量與心臟組織的模量接近的材料組成。與主要基于具有在宏觀水平上可拉伸的機械結構的剛性材料的生物電子學不同，用具有與生物組織的模量匹配的模量的材料構造生物電子學，意味著以后有可能向沒有硬-軟界面的下一代生物電子學和生物傳感器的途徑發展。
該橡膠心外膜貼片能夠進行多重心電圖定位，應變和溫度感應，電起搏，熱消融和能量收集功能，并且已經在豬活體心臟上展示了其功能。這種功能組合意味著該設備可能有助于醫生做出有關心臟監測和患者治療的決定，并可能有助于加速新療法的發現。雖然該生物電子貼片主要是作為一種臨時的心外膜植入物，但加入消炎劑和材料，以及對誘導纖維化的仔細研究，可能會導致長期植入物的發展。
參考文獻：
Sim, K., et al. An epicardial bioelectronic patch made from soft rubbery materials and capable of spatiotemporal mapping of electrophysiological activity. Nat Electron (2020).
https://doi.org/10.1038/s41928-020-00493-6
