植入式心外膜器件对于心血管疾病的发现，监测，缓解和治疗非常重要。通过与心脏外膜直接接触，典型的心外膜器件可以用来测量心脏的电生理特征和物理特征（例如心电图（ECG），机械收缩和扩张以及病理生理信息）。对于该领域来说，最理想的心外膜器件应既具备同心脏组织相似的柔软性和形变性，同时兼备多种检测功能。然而，如何制备兼具上述两种条件的心外膜生物电子器件仍是一个巨大挑战。
近日，美国休斯顿大学的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组在生物电子领域取得了突破性进展，以“An epicardial bioelectronic patch made from soft rubbery materials and capable of spatiotemporal mapping of electrophysiological activity”为题在 Nature Electronics上报道了一种完全由模量同心脏相近的软橡胶材料制备的心脏外膜生物电子贴片。基于余老师课题组近年来研发的橡胶电子学(Science Advances, 6, eabb3656, 2020; Nature Communications, 11, 3823, 2020; Science Advances, 5, eaax4691, 2019; Science Advances, 5, eaav5479, 2019; Science Advances, 3, e701114, 2017.)，该工作第一次研发出橡胶生物电子用于医疗植入应用。
该橡胶生物电子贴片不仅可以在跳动的心脏上监测心脏的电生理活动，应变和温度，同时可以为心脏提供电起搏和热消融的功能。另外，贴片上的橡胶机电转换器还可将心跳转换为电能。上述器件性能在活体猪心实验中得到了证实，同也揭示了多功能橡胶心外膜生物电子贴片制备过程的关键方面和功能。
图1. 橡胶生物电子心外膜贴片
研究人员通过低成本的简便制造工艺（例如涂层和印刷）制备了一种橡胶生物电子心脏外膜贴片。该器件完全由模量同心脏相近的软橡胶材料组成，其中包括橡胶基体/塑封（PDMS），橡胶导体 （AuNPs-AgNWs/PDMS）, 橡胶半导体（P3HT-NFs/PDMS），以及弹性栅隔离层（离子凝胶）。针对用于心外膜传感，刺激和能量收集，科研人员设计的多功能橡胶心外膜生物电子贴片包含了橡胶晶体管阵列，橡胶应变传感器，橡胶温度传感器/热致动器和橡胶机电传感器。实验结果展现了以上橡胶生物电子器件在拉伸条件下优良的电学性能及稳定性。
图2. 橡胶晶体管，橡胶温度传感器，橡胶应变传感器及橡胶机电传感器
除了器件机械方面的考虑，生物体内的生物流体是另一种可能影响植入器件性能的因素。所制备的橡胶晶体管加上PDMS薄膜塑封后，器件在37 °C磷酸盐缓冲生理盐水中展现了长达7周的长时间稳定性。
心外膜电生理标测对于心脏病的诊断和治疗非常重要，尤其是对心脏大面积的时空映射可以检测出不能正确传导心脏电位的心肌组织。科研人员通过制备5×5的橡胶晶体管阵列实现了对于心脏电生理活动的时空映射，同时，通过器件和器官之间的无缝连接，实现了器件的电起搏功能。最后，科研人员测试了橡胶应力传感器，橡胶温度传感器及橡胶机电传感器在生物体里内的性能。
图3. 心脏电生理活动的时空映射
综上，该工作展示了一种由模量同心脏相近的软橡胶材料制备的心脏外膜生物电子贴片，同时兼备多种检测功能，其中包括心脏的电生理活动时空映射，温度，应力等。这项工作为下一代具备和生物组织相类似的生物电子器件及生物传感器提供了基础。同时，通过不同功能的组合，该器件可能会帮助医生做出有关患者心脏监测和治疗的决定，并可能有助于加速新疗法的发现。
文章的共同第一作者是Kyoseung Sim博士(现为韩国UNIST助理教授)，博士生Faheem Ershad 和张永操；其他作者包括课题组的杨品亦，Hyunseok Shim，饶州旅，路运涛和Anish Thukral；文章作者还包括合作者来自于德州心脏研究中心的Abdelmotagaly Elgalad，席雨涛，Diris A Taylor和来自芝加哥大学的田博之教授。文章的通讯作者为余存江教授。
文章及图片来源：知社学术圈