柔性生物电子新突破！无线植入+实时监测

一、研究背景

腹主动脉瘤的主流治疗方式为血管内动脉瘤修复术（EVAR），该术式通过植入支架移植物引导血流绕过薄弱主动脉壁，具有微创、恢复快、术后并发症少的优势。但EVAR术后存在致命隐患——内漏（血液渗漏至支架与血管壁间隙），其中I型内漏（支架近端/远端密封不全）破裂风险最高，发生率约3%，未及时干预者中位11个月内可能发生动脉瘤破裂，住院死亡率达27.3%。

当前临床依赖影像学监测（CT血管造影、MRI），存在显著局限：CT需电离辐射与肾毒性造影剂，MRI可及性低、成本高且对微小慢流内漏分辨率不足；且监测间隔长达6周至3个月，易导致内漏“静默进展”。此外，现有技术无法实时定位漏点或评估漏速，亟需一种可植入、实时、无创的监测方案。

 二、研究亮点

1. 传感器总厚度仅5μm（金电极+聚酰亚胺PI封装），采用蛇形布局，可与支架同步折叠/展开，通过导管植入，不影响支架机械性能与血管血流。

2. 基于共聚酰胺（Co-PA）设计的热黏合剂，解决了现有黏合剂“柔性与稳定性不可兼得”的矛盾——110℃热固化后既保持与支架织物匹配的柔性（弯曲强度仅1.5N），又具备强黏附力（10N），且不穿透支架壁、不影响其防水性，14天湿热环境下无降解。

3. 采用“平面电感-外部阅读器”的LC共振电路，无需电池供电，可穿透70mm厚生物组织（模拟腹部深度），通过共振频率变化（血液覆盖时从17.1MHz降至13.2MHz）实时传输内漏信号，灵敏度达12.5%血液覆盖即可检出。

4. 不仅可定量检测内漏量（电容与漏血厚度/面积线性相关）、定位漏点（4组周向电极区分单/多漏点），还能同步监测心率（生理血压波动下电容变化稳定反映心跳）。

三、研究内容

 1. 核心装置设计

（1）电容传感器结构

- 电极层：200nm厚金电极，采用蛇形布局扩大感应面积；

- 封装层：PI材料（生物相容性优异），上下双层封装，总厚度5μm；

- 工作原理：基于介电常数差异——血液（介电常数高）接触传感器时，电容值显著升高（19.8pF@100kHz），远高于血管壁（13.8pF）、脂肪（1.7pF），通过电容变化识别内漏。

（2）热黏合剂制备

- 配方：共聚酰胺（Co-PA）溶解于四氢呋喃（THF）与PBS混合溶液（1:3重量比），旋涂成25μm厚薄膜；

-  bonding工艺：乙醇辅助初步固定，110℃热固化5秒，实现传感器与支架织物（如Gore-Tex）的牢固结合，且不穿透支架内壁。

（3）无线传输系统

- 植入端：30mm×100mm平面电感（3匝），与传感器构成LC共振电路；

- 外部端：60mm×200mm铜线圈阅读器（尺寸为植入端2倍，提升耦合效率），通过网络分析仪检测S11参数（共振频率变化），实现无创数据读取。

 2. 性能验证实验

（1）体外性能测试

- 电容响应：100kHz频率下，血液电容值最高（19.8pF），漏血厚度达150μm仍可线性检测，且不受纤维蛋白鞘（纳米级）干扰；

- 机械稳定性：支架经1000次压缩-膨胀循环（模拟植入操作），传感器无剥离、电容值波动＜5%；

- 长期稳定性：37℃PBS浸泡1个月，电容值无显著变化，血液检测重复性良好。

（2）猪主动脉离体实验

- 模型构建：将传感器-支架复合体植入猪主动脉，通过空气泵模拟生理血压（80-120mmHg）与心率（80-90bpm）；

- 检测结果：注射血液、白蛋白、PBS后，传感器可清晰区分三者电容差异（血液＞白蛋白＞PBS），血压波动仅导致电容变化6.82%（远低于内漏诱导变化），不影响检测准确性。

（3）生物相容性评估

- 细胞毒性：人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在PI提取物中活力达92%，黏合剂提取物中活力达75%，均符合生物医用材料标准（＞70%），无明显炎症风险。

3. 关键问题解决

- 传感器厚度与内漏风险：通过数值模拟（Carreau黏度模型）与实验证实，5μm厚度不会产生额外间隙（漏速＜10?3mm/s），而1000μm厚装置漏速达4mm/s（增加内漏风险）；

- 无线传输深度：70mm深度（模拟人体腹部）下，仍可检测到清晰的共振频率峰（血液 vs 血管壁：6MHz vs 9MHz），满足临床应用需求。

四、总结与展望

本研究开发的“无线植入式电容传感器系统”，首次实现了EVAR术后I型内漏的实时、无创、长期监测：超薄柔性设计适配支架植入流程，专用热黏合剂解决固定难题，LC无线传输突破深度限制，多维度监测能力覆盖临床需求。实验证实该系统无额外内漏风险、稳定性强、生物相容性良好，可弥补传统影像学监测的“滞后性”与“有创性”短板，为降低EVAR术后动脉瘤破裂风险、改善患者预后提供了新方案。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady6148

作者：Sun Young Park, Soo Hyun Kim, Unseong Baik, Seung Jae Huh, Raudel Avila, Hyeon Ho Shin, Hyoungsuk Yoo, Heungsoo Shin, Jin-Tae Kim, Young-Hyo Lim*, Yei Hwan Jung*

往期推荐

柔性电子女神鲍哲南院士，最新Nature Electronics

给机器人装“指尖神经”！这款摩擦发电机，让它摸得准还能防打滑

喷墨打印新突破！构筑高性能柔性PVP@Ag?Se/MC热电器件

温故而知新！喷墨打印与柔性电子文献总结

视频号：##柔性电子那些事