揭秘人体生物电子学的5个新技术
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图片说明:软材料和电子学方面的技术创新帮助研究人员创造出了多种多样可穿戴的电子贴片。 图片来源:Donghee Son and Jongha Lee, Seoul National University


随着智能电子产品的体积越来越小,也越来越柔软,科学家们开始致力于研发一些新型的医疗设备,以便能将智能电子产品应用到人体上,或者植入到人体内。这些柔软且有弹性的电子装置不会在接触皮肤或植入人体内时使人浑身不舒服,其设计原理就是能够更好地融入人体,尽最大可能减少给人体带来的不便。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)航空航天工程和工程力学的副教授Nanshu Lu表示,晶片制成的坚硬电子产品与柔软且充满活力的人体很难协调,她的研究团队希望能够解决这一问题。目前,Lu的研究团队致力于研究并开发有弹性的生物电子产品,他们已经发明了一款廉价且容易生产的电子皮肤贴片,这种贴片被称作epidermal electronics(表皮电子)。生产商只需要20分钟就可以将这种贴片生产出来,而以前的类似产品则需要花费几天的时间。

除了自己团队研发的产品之外,Lu还提到了近期出现的其他5款生物电子产品。这几款产品都相当具有吸引力,不仅智能灵活、有弹性,还能和人体相融。也许在不久的将来,这些产品就能被大批量生产,应用于医疗保健领域。

下面,就请来了解一下这5款产品的详细介绍吧。

一、智能临时纹身贴

这种智能临时纹身贴也被称作生物印章(biostamps),由伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的材料和电子学专家 John Rogers 及其团队研发而成。Rogers希望这款临时纹身贴能够很好地和人体结合,让用户在使用时感觉纹身贴就是自己身体的一部分。Rogers认为,这款产品的厉害之处就是能够让使用者感觉不到其存在并且仍然可以正常工作,这也是Rogers和团队一直努力的方向。智能临时纹身贴里有弹性极好的电路系统,并可以采用无线供电。它可以像临时纹身那样直接粘在皮肤表面,同时由于延展性能好,还可以随着皮肤的收缩伸展而产生相应的变化。

Rogers表示,这种智能临时纹身贴可以解决一些在临床治疗中相当重要、但却难以处理的问题(比如重症病人的情况监测)。不过,虽然biostamps有很多种潜力巨大的应用方式,但目前Rogers和团队正在研究如何将它应用在新生儿重症监护室和睡眠实验室中,以便更好的监测那里的病人。目前,Rogers和他合伙创办的公司MC10正在进行一些临床试验,并希望能在2016年末推出他们的第一款受国家规定管制的产品 。

二、皮肤上的生物化学传感器

图片说明:加利福尼亚大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的纳米工程师们最近测试了一款临时纹身贴的功能,该款纹身贴可以提取并测量皮肤细胞间的液体中的葡萄糖含量。 图片来源:Joseph Wang, University of California, San Diego

由加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程学教授Joseph Wang设计的一种可穿戴生物化学传感器也可以很好地融入人体。这种传感器可以利用一种安装在皮肤上的装置分析人的汗液、唾液以及眼泪,然后通过无线电将收集到的信息传到智能手机上,从而监测机体的健康及医疗状况。目前,这种传感器还处于发展阶段。

此前,Wang 和他领导的可穿戴传感器研究中心就发明了一种概念验证(POC,Proof of Concept,常用于医学和计算机科学,一般指证实某项医学假设的试验或进行软件漏洞测试的测试代码)、 有弹性的临时纹身贴,可以使糖尿病人随时监控自身血液中的葡萄糖含量,而不需要使用传统的扎手指抽血方法来测试血糖信息。Wang还领导自己的研究团队发明了一种嘴部防护传感器,不用扎针取血就能检查一些身体的健康状况指标,如尿酸(糖尿病和痛风的一种早期指标)等。

目前,在一些本地企业和跨国公司 的资助下,Wang 和他领导的可穿戴传感器研究中心正努力使这些传感器技术商业化,使其更早地应用在临床治疗中。

三、纳米材料给药技术

目前,韩国首尔国立大学化学与生物工程学院的副教授Dae-Hyeong Kim和他的同事正在研究一种可惠及下一代的技术——纳米材料给药技术。

早在2014年,Kim和他的团队就研制出了一种具有弹性的可穿戴式电子贴片,这种电子贴片不仅是一种诊断工具,还可以储存数据信息和药物。Kim表示,这种多功能的电子贴片可以监控帕金森病患者的运动障碍情况。他和团队在存储器中使用了金纳米粒子,可以记录收集到的数据信息。当这种电子贴片感应到了帕金森病患者的震颤模式、身体的热度和温度之后,贴片内的传感器就会被触发,并给出定量的药物,这些药物可通过特殊设计的纳米粒子扩散到皮肤上。

在未来,Kim和他的研究团队即将研制出一种纳米给药的电子装置,从而推动药物递送和组织工程学的发展。

四、可注射式大脑监测器

图片说明:这种纳米电子网板可通过针管被注射到人体的大脑组织中。 图片来源:Lieber Research Group, Harvard University

尽管现在已经存在一些可植入技术,并被用于监测癫痫和脑损伤患者,但这些植入大脑的装置仍然锋利且坚硬,因此难以长期监测病人大脑的状况。大脑组织就像一碗柔软的豆腐,并且处于一种不断运动的状态,因此植入大脑的监控装置必须柔软度极高。研究人员一直试图发明一种不需要任何机械力、且完全没有负担的检测装置,使其能够监测、刺激大脑,并能和大脑相互作用。

哈佛大学的化学教授Charles Lieber和他的研究团队一直致力于纳米科学与技术领域的研究。目前,他们发明了一款极其微小的高端纳米电子网板装置,可通过针管被注射到人体的大脑组织中。注射之后,纳米电子网板便自动张开,并开始监测大脑活动、刺激大脑组织,并可与神经元相互作用。

五、长期植入装置

图片说明:可植入脊髓的e-Dura装置。 图片来源:Laboratory for Soft Bioelectronic Interfaces, EPFL

在2015年初,瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员宣布,他们已经发明了一种用于治疗脊髓损伤的新型植入装置——e-Dura,可直接植入到患者大脑或脊髓上方以及包围着大脑和脊髓的硬脑膜下方。被植入到这些地方后,e-Dura便可以在患者康复过程中释放出电刺激和化学刺激物。

这种装置的弹性和生物相容性极高,而且几乎和包围着它的人体活性组织相同,因此可以减少炎症、摩擦和组织磨损所产生的风险,从而可长期植入患者体内。研究实验表明,完全瘫痪的老鼠在植入e-Dura几个星期后便可再次行走。e-Dura是一种功能良好、弹性极强并且可长期植入人体的激励器,这项技术的出现表明人类创造出用于治疗和康复的长期植入式装置是可能的。

同时,除了以上技术之外,复制人类皮肤的技术也变得越来越成熟。斯坦福大学(Stanford University)化学工程系的鲍哲南教授花费多年时间创造出了柔性人造皮肤,这种人造皮肤可以感受到压力和温度,有自我愈合功能,还包含一种传感器阵列,可以感受并分辨压力的大小,如稳定有力的握手和软弱无力的握手。

人体生物电子学是一个多学科交叉的研究领域,Lu和研究团队的成员希望通过坚持不懈的研究,使晶片电子装置变得更像人类的皮肤。她还指出,通过研究人员不断的努力,目前所有坚硬易碎的电子元件都可能在将来变得柔软且富有弹性,能够广泛地应用于医疗健康等各个领域。(科学之家:译审/编辑:MHJ)
文章来源: http://www.livescience.com/53806-flexible-bioelectronics-innovations.html
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