完全植入式柔性印刷传感器，用于血流动力学无线监测
高血压、动脉粥样硬化和动脉瘤等血管疾病是导致死亡的主要原因，其每年导致的死亡人数占全球死亡人数的30%以上。这些疾病和病症，可以发生在整个血管系统中，包括直径各异、不同曲率的动脉。因而，监测血压和流速以及其他的血液动力学特征，是跟踪血管疾病进展和治疗的重要手段。
然而，目前的血流动力学监测方法，包括血管造影、磁共振成像、多普勒超声和导管插入术，由于其有限且重复的监测周期并需要固定患者，因而无法提供广泛且全面的血管健康观测。另外，尽管连续血流动力学监测已被证明可以改善患者的预后，但现有的临床器件由于其庞大的尺寸和刚性材料特点只能提供有限的传感能力。
现有的传感器一般仅适用于心脏、腹部动脉瘤和肺动脉内的压力监测，而无法适用于其他动脉。总体而言，用于动脉传感的血管电子器件的发展受到了严格的植入和操作要求的限制（包括需要充足的无线储电能力以及柔性、小型化且超薄的系统），以使其可以自我固定在动脉内并与微创导管植入术兼容。目前，可拉伸和柔性电子器件的发展为无线动脉传感器的发展提供了新的手段。
据麦姆斯咨询报道，近期，佐治亚理工学院机械工程系（George W. Woodruff School of Mechanical Engineering，Georgia Institute of Technology）的研究团队，开发了一种由集成柔性传感器的无线支架平台组成的植入式血管电子器件系统，以满足植入和操作要求。该器件通过感应耦合进行无线操作，以实现对压力、脉搏率和流量的实时、同步监测，从而即时诊断各种血管状况。相关研究成果以论文形式发表在Science Advances。
该植入式无线器件由一个集成了柔性电容传感器的感应智能支架组成（图1）。支架平台可以同时实现电容传感器的无线监测功能和植入结构的可靠性。为了实现这一点，混合材料支架使用导电环和非导电连接器来实现类似于螺线管的导电通路，并将其用作感应天线。为了随时进行血流动力学监测，研究人员在支架的内表面上层配置了柔性超薄压力传感器。同时，电容式传感器通过使用结构化介电层来提高灵敏度和响应时间。
图1 基于印刷传感器的完全植入式无线血管电子系统示意图
虽然压力监测只需要一个传感器，但研究人员在支架的两端分别放置一个压力传感器共享支架并形成两个具有不同谐振频率的LC电路。每个电路的谐振频率通过外部环形天线和矢量网络分析仪（VNA）使用S11参数（散射参数其中之一，用于电路分析）进行无线监控。总体而言，该无线系统可以实时、同时监测压力、脉搏率和流量。
传统的支架由单一材料的导电环和连接器形成，通过移除连接器并将导电环设置为连续路径，可实现类似螺线管的设计，但这种设计不利于支架力学和与球囊扩张的兼容性。为了克服这个问题，研究人员开发了一种感应支架设计和制造工艺，使用导电回路和非导电连接器，从而防止相邻回路之间发生电气短路（图2）。
图2 无线支架的设计、制造和表征
为了获得全印刷传感器，研究人员通过气溶胶喷印方法，使用了可与粘度从1到1000cp的各种墨水兼容的快速制造工艺，获得了聚酰亚胺（PI）、银纳米粒子（AgNPs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的印刷层，最终形成了具有可拉伸互连的压力传感器（图3）。传感器顶部和底部电极通过喷嘴分别印刷在同一基板上，然后将印刷层转移并在弹性体中层压在一起。而在封装材料的选用上，PDMS因为具有血液相容性被采用。后续的研究中，研究人员会进一步探索其他适用的封装材料，以及优化墨水和印刷参数以获得薄而耐用的传感器。
图3 柔性压力传感器的制造和表征
为了评估无线传感器对各种血管状况的监测，研究人员将其植入到体外动脉模型中进行试验（图4）。首先，将传感器集成在支架内并在每一端连接以形成完整的LC电路，然后压接在球囊导管上并通过引导导管前进。通过电容的有线监测和共振频率的无线监测来验证支架和传感器功能，而频率扫描信号的连续收集能够实时监测动脉压。
图4 对血管压力、脉搏率和血流量的无线传感示意图
最后，研究人员利用家兔模型进行了一项体内试验以验证无线传感器体内操作的可行性（图5）。试验过程中使用了一个初始直径低于1.5mm且扩张直径达3.0mm的小型感应支架。在以往通过导管传递的血管传感器的研究中，体内研究受限于导管研究进展的不足、高植入失败率和对手术移植物使用的依赖。而此项研究中，研究人员将无线器件从家兔左颈动脉的血管鞘插入部位导入，经过主动脉弓，穿过腹主动脉，进入右髂动脉，突出了无线器件在主动脉（直径为4.5mm）、右髂动脉（直径1.93mm）的狭窄弯曲动脉中前进的能力。此外，另一个无线器件可以绕过血管系统当中的急转弯区域，并被导入直径为1.53mm的左肾动脉，这表明其具有在高度狭窄的动脉中进行传感的潜力。
图5 无线传感器导管植入的体内研究
总体而言，该研究针对电子器件设计、材料和系统集成方面的进步为植入式血管电子器件系统和血流动力学的全面无线监测提供了新的发展点。研究人员表示，后续的研究工作将围绕改进传感器封装、减少支架支柱和传感器厚度，以及开发具有外部读取器的电子器件来进行，并期望将研究成果用于植入传感器功能、内皮形成和炎症问题的体内长期研究。
论文信息：http://doi.org/10.1126/sciadv.abm1175
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