粘膜接口电子器件研究进展综述
2022-09-18 10:44:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传统的医学诊断仍在全球范围内广泛实践，其依赖于医生们使用自己的五种基本感官来推断患者的健康状况。例如，通过对口腔、直肠或阴道腔等进行触诊仍然是针对消化道和女性生殖道进行诊断的主要方法。虽然这种带有主观性的方法具有低成本和简便的优势，但也容易导致误诊，因而，采用电子传感器取代医生自己的感官已逐渐成为新的趋势。这种趋势在提高诊断范围和质量的基础上，还提供了一种基于临床所获取的大型数据集为病理诊断建立“参考标准”的方法。

与人体建立微创、高保真度和可长期使用的传感接口，一直是皮肤接口电子器件（SIE）发展的主要驱动力。SIE是指能够与皮肤无缝交互的电子器件，其物理特性与皮肤的柔韧性和可拉伸性等特性非常类似。过去十年，在包括柔性传感器、无线技术和无电池供电手段等硬件重大突破的推动下，SIE实现了微创、实时、连续和全面的健康监测功能。

尽管针对皮肤接口电子器件的研究已取得了一定的进展，但通过皮肤无法获得包括来自消化系统、呼吸系统、生殖系统和泌尿系统的生理和病理信号。这些区域通常被称为“内层皮肤”的粘膜覆盖，它们与皮肤在解剖和功能方面有许多相似之处。现有临床批准的以微创方式与粘膜交互的传感器（图1）通常是胶囊或导管形式，缺乏柔性，需要使用电池供电，无法长期留存体内，且与SIE相比，其技术特征与传统电子产品有更多的相似之处。这些设计特征阻碍了组织接口对粘膜或粘膜下面的器官进行长期而全面的监测。

图1 当前已获临床批准的粘膜接口传感器和皮肤接口电子器件（SIE）的关键特征，以及粘膜接口电子器件（MIE）发展的最终目标。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）及哈佛医学院（Harvard Medical School）的研究人员探讨和总结了可以从SIE的设计中借鉴的方法，以期推进粘膜接口电子器件（MIE）的发展和应用，并以综述形式在Nature Reviews Materials期刊上发表了题为“Mucosa-interfacing electronics”的文章。

在该综述中，研究人员首先描述了粘膜的主要解剖和功能特征，并将其特性与皮肤的特性进行了比较。接下来，研究人员明确了可以从粘膜获取的主要生理信号类型，并描述了目前在临床上评估这些信号的方法。最后，研究人员讨论了实现MIE的主要工程学方面的挑战，并强调了如何通过借鉴SIE和其他形式的生物集成电子器件的技术进步来应对这些挑战。

图2 设想的粘膜接口电子系统示意图：概述了与最先进的皮肤接口电子器件（SIE）（左）相比，粘膜接口电子器件（MIE）（右）面临的主要挑战。其挑战主要包括传感器性能（传感器-组织接口和封装）、传感器部署（定位、留存和移除）以及通信和电源相关的问题。

图3 在粘膜建立传感器-组织接口的方法：（a）用于建立稳健的传感器-组织接口的结构（左）和材料（右）的工程方法示意图。（b）将塑性材料转化为可拉伸导体的各种结构工程方法的示意图，图中展示的为拉伸前后的导体。（c）示意图显示了与使用传统电极的传感器-组织接口（左）相比，通过使用柔性水凝胶（右）最小化其与粘膜组织的力学性能失配来增强传感器-组织接口的稳定性。示意图显示了相应的等效电路图，包括电容（C）和电阻（R）。（d）通过在导电水凝胶和组织之间形成共价键，以在传感器-组织接口处同时实现强粘附和低电阻抗。（e）示意图显示了初始水凝胶（左）、流体吸收后缺乏韧性的溶胀状态的水凝胶（中）和溶胀触发的增韧机制，该机制具体表现为，首先，封装的交联剂分子在第一个聚合物网络（聚合物1）中进行扩散，接着交联第二个聚合物网络（聚合物2），使得流体吸收后水凝胶的韧性增强（右）。

图4 传感器在粘膜的留存模式：不同的物理和化学粘合机制（（a）粘液粘附、（b）粘液穿透、（c）机械锚定和（d）管腔限制策略）导致留存时间分布于数分钟到数月不等。一般来说，穿透或消耗粘液并直接与下面的粘膜相互作用的方法可以提供更长的留存时间，但通常以增加侵入性为代价，其中，管腔限制策略的粘合机制可实现最长的留存时间。

总体而言，尽管存在各种材料和工程上的挑战，但粘膜接口电子器件（MIE）在提高针对患者（和运动员）的监测、诊断和治疗水平方面仍然具有巨大的应用潜力。研究人员预测，针对MIE的早期商业化开发将集中在短期急性诊断干预上，例如运动性评估。

然而，在实现粘膜接口电子器件（MIE）的商业化之前，还有一些额外的挑战需要解决。首先，为了帮助医学界广泛接受MIE，研究人员应在开发早期考虑潜在的安全隐患。由于人体的许多粘膜衬里区域不断传输物质，例如消化产物（胃肠道）或尿液（膀胱），安全的器件设计应避免破坏这些人体固有的间歇性功能，从而避免医疗险情的发生。此外，虽然在电池和电路元件中经常使用的潜在有毒材料可以通过封装与人体隔离，但封装失效的可能性，意味着需要应用生物良性材料以及美国食品药品监督管理局（FDA）普遍认为安全的材料来构建MIE器件。同时，尽管越来越多的研究表明液态金属和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐等功能性电子材料在各种生物医学应用中是无毒的，但还是应该进一步评估这些材料的生物相容性，特别是在粘膜接口处的生物相容性。此外，可以借鉴FDA批准的、已知可以安全通过胃肠道的器件的制备经验，以帮助确定MIE器件的合理物理尺寸。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41578-022-00477-2

延伸阅读：

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》

《传感器技术和市场趋势-2020版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《水凝胶技术及市场-2022版》