《AS》温敏粘性打印水凝胶混合电子系统，用于神经生理监测

英文标题：A Printed Hydrogel Hybrid Electronic System With Thermoresponsive Adhesion for Neurophysiological Monitoring

原文DOI：10.1002/advs.76396

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成果简介

神经系统疾病会严重损害患者的日常生活，因此需要对神经传导通路损伤进行精确评估，以指导有效的诊断和治疗。然而，目前的临床神经诊断设备不仅价格昂贵、体积庞大，而且局限于医院环境。此外，传统电极的刚性特质和低粘附性，容易导致采集到的神经生理信号质量低下。在此，该工作开发了一种由印刷响应型水凝胶电极组装而成的软质混合电子系统。通过合成温敏水凝胶微球墨水，实现了界面层的快速直写打印图案化。基于水凝胶微球的热触发“水合-脱水”策略，该水凝胶电极展现出可定制的粘附性能，不仅能与皮肤紧密贴合以进行高保真信号采集，还可以在监测结束后温和脱附。通过水凝胶界面改性，皮肤表面电极在电刺激方面表现出优异的电荷注入能力，并提升了信噪比（SNR）。将水凝胶贴片与混合电子系统集成，能够高频、高保真地采集微弱的神经传导信号。我们进一步将该系统应用于临床病例中正中神经和尺神经损伤的评估，在确保定制化粘附力调节的同时，实现了对神经受损的精确诊断。这一用户友好型系统作为一种低成本、便携式的诊断平台，在远程医疗、家庭护理和临床环境中具有广阔的应用前景。

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研究亮点

• 温敏可调控粘附机制：微球网络常温下通过氢键锁水呈溶胀态，提供紧密贴合。加热至40℃以上时，微球网络迅速坍缩脱水，使粘附强度从 8.6 kPa 减至 3.6 kPa ，实现温和、无损剥离。

• 高导电与高刺激特性：打印的 TDH 电极展现出极低的接触阻抗（1 kHz 处仅 10.87 Ω） 、极高的电荷注入能力（CIC = 0.107 mC/cm2） 和电荷存储容量（CSC=0.611mC/cm2）.

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图文解析

图 1. （A）用于外周神经系统诊断的温敏打印水凝胶（TDH）电极的示意图。（B）神经功能正常与异常受试者的电生理信号分析。（C） 硬件系统的架构示意图。（D）TDH 的组成与制备示意图。（E）电子系统的功能框图。（F）TDH 电极正面（i）和背面（ii）视角的照片。（G）混合电子系统共形贴附于皮肤（i）以及 TDH 电极从皮肤上剥离（ii）的图片。

图 2. (A) 热响应水凝胶微球（PNPMs）合成过程的示意图。(B) 分别经低温和真空冷冻技术处理后的 PNPMs 扫描电子显微镜图。(C 和 D) 水凝胶油墨的储能模量和损耗模量随时间 (C) 以及角速度 (D) 的变化曲线。(E) 微球的粘度-剪切速率曲线以及剪切应力-剪切速率曲线。(F) 上述不同粒径微球的三步触变性测试曲线。(G) PNPMs 在热循环过程中的粘度变化。(H) 打印过程的图片，以及在不同压力、步进速度和喷嘴高度下的显微镜图片。

图 3.（A）水凝胶墨水直接打印与交联过程的示意图。（B）TDH 电极贴附于皮肤、被拉伸、被剥离的图片。（C）水凝胶/皮肤界面的粘附调控机制：实现与皮肤的紧密结合（i）以及由热触发的温和剥离（ii）。（D）CMC-DA 以及基于 CMC 的水凝胶傅里叶红外光谱。（E）粘附强度测试的示意图以及 TDH 粘附在猪皮上的照片。（F）TDH 在不同 CMC-DA 浓度下的粘附强度曲线。（G）TDH 在不同温度下的粘附强度。（H）TDH 在 20 次重复剥离循环过程中的粘附强度。（I）TDH 在 0% 至 50%、75% 和 100% 应变的不同加载-卸载条件下的应力-应变曲线及滞回曲线。

图 4.（A）TDH 电极的照片。（B）TDH 电极、商用电极以及 ECC 电极之间的接触阻抗对比。（C）上述电极在静态和振动条件下的信噪比。（D）上述电极所记录的肌电信号对比。（E 和 F）三种不同电极的电荷注入曲线（E）和循环伏安曲线（F）。（G）不同电极在不同循环条件下的电荷存储容量。（H）TDH 电极与以往报道的柔性电极在柔软度、可调粘附力、免模具化以及抗伪影性能的对比。

图 5. （A）TDH 和 PDMS 共同培养的人永生化角质形成细胞的荧光显微镜图像，细胞经钙黄绿素-AM和碘化丙啶染色。（B 和 C）通过 CCK-8 法计算出的在基于 TDH 的培养基中培养的 HaCaT 细胞的相对增殖率和细胞活力。（D）上肢体感诱发电位和下肢体感诱发电位的测试示意图。（E）使用 TDH 电极和商用电极记录的 SSEP 波形信号对比。（F）通过 TDH 电极和杯状电极采集的 SSEP 信号的振幅与潜伏期对比。

图 6.（A）刺激与记录过程中肌电信号传导的示意图。（B）用于采集健康受试者神经生理信号的 TDH 电子系统的照片。（C）评估运动和感觉神经分支的标准诊断流程。（D）TDH 电子系统的刺激输出特性。（E）TDH 电子系统接收到的不同振幅的正弦波、三角波和方波。（F）受试者尺神经和正中神经的电生理信号。（G）正中神经监测。用于监测运动和感觉神经分支电位的 TDH 电极贴附于皮肤的照片。（H）由商用电极和 TDH 电极记录对应的神经生理活动。（I）使用上述电极记录的肌电图振幅对比。（J）尺神经监测。尺神经电极位置示意图以及贴附于受试者手部以获取尺神经运动和感觉信号的 TDH 电极照片。（K）商用电极与 TDH 电极记录的神经生理信号对比。（L）使用上述电极测得的尺神经潜伏期和传导速度的对比。

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研究结论

本研究报道了一种具有热响应粘附特性的印刷水凝胶混合电子系统，成功用于神经生理信号监测。该集成系统由水凝胶电极、定制设计的信号采集硬件以及分析软件组成。凝胶电极首先通过反相乳液聚合合成了基于N-异丙基丙烯酰胺的热敏微球。通过调节前驱体溶液的流变学性质，实现了对墨水粘度的按需及梯度控制，从而便于直接打印。此外，基于接枝策略，合成了羧甲基纤维素-多巴胺，通过多模态化学与物理相互作用来提高水凝胶的初始粘附性。合成了TDH电极，TDH 同时还可以作为通用界面层，实现与各种组织和软基底的无缝集成，在生物电子领域的皮肤贴合器件/系统中展现出巨大的应用潜力。TDH 能够对复杂的皮肤表面、保持稳固的粘附，从而有利于获取高保真、低伪影的原始数据。不仅如此，其热响应特性使得用户可以通过热激活实现按需脱附，避免在脱离过程造成对皮肤的伤害。通过优化粘附性、柔软度和导电性，该皮肤贴合电极显著提高了刺激效率和信号记录质量。与商用电极相比，TDH 电极展现出更低的接触阻抗、更高的信噪比以及更优异的电荷注入容量和电荷存储容量。该系统在更广泛的神经系统疾病监测场景中展现出巨大的应用潜力，同时在监测过程中确保了患者的舒适度和操作的便利性。