有源医疗设备展Medtec兼顾实时监控和药物递送的仿生反馈调节机制电极
2024-10-17
有源医疗设备展Medtec了解到，传统的诊断与治疗分离的医疗方式常常使患者在检查科室与门诊之间来回奔波，这不仅极大增加了患者的就诊时间，甚至会延误一些急性疾病的治疗时机。作者希望设计并开发出一种能够模拟人体生物反馈调节机制，实时监测并在短时间内实现快速精准治疗的可植入系统，以帮助心脑血管疾病患者独立应对潜在的急性发作，为后续临床治疗争取更多时间。
导读
传统的诊断与治疗分离的诊疗方式极大地增加了患者就诊时间。无数心脑血管疾病患者由于检查确诊环节耗时过长，导致延误治疗而由轻症发展为重症。在此，作者通过仿生人体反馈调节机制，设计并制作出能够集电生理信号监测和药物递送于一体的可植入电极系统。该系统能够模拟机体生物反馈调节机制，实现“诊断-治疗-诊断”的功能以高效治疗疾病。
图1 图文摘要
诊断和治疗是临床疾病管理的两个基本环节。然而，传统的将诊断和治疗分离的方式会导致诊疗效率低下，且治疗过程中缺乏实时监控和反馈机制。长时间的检查和诊断过程常常导致患者错过最佳治疗时间窗口，可能导致患者由轻症发展为重症、甚至死亡，对于心脑血管等疾病，这一问题尤为突出。此外，近年来人口老龄化带来的医疗需求增长和频繁疫情带来的医疗冲击使传统医疗系统面临日益严峻的挑战。因此，设计并应用能够实时诊断和给药的诊疗一体化集成系统是应对疾病急性发作和减轻医疗负担的最有效方法之一。
生物反馈调节机制是人体天然的诊疗一体系统。人体可以通过“下丘脑-垂体-腺体轴”“下丘脑-垂体-性腺轴”和“胰岛素-血糖调节轴”等反馈调节轴实现对内环境稳态的调节。本文中，作者利用金属镁阀门和载药导电海绵材料构建了一种能够实现电生理信号采集和药物递送功能的电极系统，并基于多通道设计实现对反馈调节系统“诊断-治疗-诊断”功能的仿生。该系统主体由可降解材料组成，在完成诊疗功能后能够降解并被吸收（图2）。此外，相较于现有的诊疗装置，该系统通过功能整合减少了诊断和治疗时对多个电极位点的需求。
图2 受反馈调节机制启发的诊疗一体电极系统
基于聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）（PEDOT）导电水凝胶构建的PEDOT海绵具有良好的力学和电学性能，适用于药物控释和信号监测。经过一体封装后的电极位点能够在电刺激下触发金属镁阀门打开，实现对多通道电极系统药物释放行为的控制（图3）。
图3 PEDOT海绵的性能、金属镁阀门打开和药物递送机制
搭载紫杉醇和内皮细胞生长因子的电极系统与海拉细胞和内皮细胞共同培养。通过细胞荧光观察和细胞活性统计可以观察到，该系统可以实现药物的搭载和释放，并对细胞活性进行调控（图4）。
图4 单通道电极递送药物调控细胞活性
经过完全暴露电极位点处理后的多通道电极被直接放置在大鼠肌肉和心脏表面。实验结果显示该系统能够在大鼠胸部肌肉表面获取稳定一致且波形正常的心电信号。然而，电极位点与封装材料黏附性的缺乏在一定程度上限制了该系统在快速活动组织表面的应用（图5）。
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图5 多通道电极用于信号采集
双通道电极在癫痫模型小鼠中表现出诊疗一体的能力，能够实现对小鼠脑电的监测和对癫痫发作的短效抑制（图6）。结果提示，该系统在临床医疗中能够为患者争取更多的治疗时间。
图6 诊疗一体功能验证
PEDOT海绵和可降解诊疗一体系统均具备良好的细胞相容性。组织相容性实验结果显示，在材料植入4周后，没有表现出显著的炎症反应和纤维化（图7）。
图7 诊疗一体系统的生物相容性评价
总结与展望
综上所述，该研究提出了一种能够仿生反馈调节策略，将电生理信号采集和药物递送整合在一起的诊疗一体电极系统。通过结构设计和新材料引入，构建了能够兼顾信号采集和药物释放的电极结构，开发出可以实现多次诊疗的电极网络系统。有源医疗设备展Medtec进一步分析发现，该系统有望成为远程医疗工具，为突发疾病的管理提供新的方案和解决思路。未来，将该系统与无线供电和智能芯片集成，有望使其在无外部干预条件下进行独立闭环运行，从而实现真正的反馈调节。
文章来源：Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第六期以Report发表的“A bio-feedback-mimicking electrode combining real-time monitoring and drug delivery”
