“术后”科学家制备表皮生物传感器，可用于术后血运状态持续监测，推动生物传感系统小型化

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来源：DeepTech深科技

“论文投稿中有个小插曲，我们竟然遇到了电信诈骗，不法分子通过冒充编辑身份、伪造编辑邮箱地址，和我们取得联系之后试图诱导转账。不过，通过和期刊编辑部的反复确认，我们识破这些手段并避免了损失。”华中科技大学吴豪教授表示。

尽管在论文投稿中遇到了不靠谱的事情，但是他和团队的这项成果，却是要靠谱地解决“临床血运监测难”的问题。

研究中，他和合作者通过结合柔性电子技术、以及反射式光电容积脉搏波监测技术，提出一种柔性无创的血运监测电子设备——表皮生物传感器，它不仅可以兼容非规则形貌的术后创面，还具有柔软、无创、可共形贴附、采用无线数据传输等优势，能在术后游离皮瓣、以及断指的血运监测中取得良好效果。

这种基于阶梯固化式聚二甲基硅氧烷的界面设计方法，在柔性电子领域具有重要意义，可被作为柔性电子器件与人体皮肤之间界面设计的通用策略。

如前所述，由于该成果结合了柔性电子技术与反射式光电容积脉搏波技术，因此日后可被用于离断肢体再造领域，助力于术后离断肢体局部血运状态的监测。

同时，反射式光电容积脉搏波技术又能被扩展到其他医学领域，比如氧合水平等临床指标监测上。

据介绍，由机械力、酸碱腐蚀、生物性损伤等因素引起的严重软组织缺损和肢体离断，在临床上十分常见。游离皮瓣移植术和断指再植术，是针对该症状的主要治疗方法。

在术中，游离皮瓣移植术和断指再植术，均需要吻合血管以便恢复组织灌注，而血运障碍是最常见的术后并发症，常常发生在手术之后的 48 小时之内，严重时甚至会导致组织坏死。

因此，术后血运状态的持续监测，对于游离皮瓣移植和断指再植手术的成功至关重要。

尽管显微外科领域已经引入多种血运监测技术，比如激光多普勒、植入式超声多普勒等、组织氧合监测等，但是设备附带的硬质探头，非常容易损伤患者的术后创面。

并且，上述技术难以实现无创、连续、精准的监测，更难对以术后的创面形貌实现具有高度适应性的理想监测，因此这些技术均未能广泛用于皮瓣和断指的术后血运监测。

在临床上，目前最常使用的监测方法，仍然是由医护人员对术后创面进行评估。但是，这种评估手段比较主观，主要取决于评估者的工作经验，而且会加重医护人员的劳动负担。看到这些痛点之后，课题组开展了本次课题。

将扩展至皮瓣的术前监测

研究中，对于反射式光电容积脉搏波技术可以实现非侵入式血运监测的背后原理，课题组首先对其加以分析。

掌握基础理论之后，他们开始着手电子系统的设计与集成，在持续迭代之后，打造出了论文中展示的电子系统。

为了满足临床需求，该团队开始寻找合适的界面设计方案。期间，受到自然梯度结构的启发，他们制备出一种阶梯固化式的聚二甲基硅氧烷，这种结构既具有自粘性，又以可稳定地集成硅基芯片。

在对上述结构进行测试之后，他们将这种阶梯固化式聚二甲基硅氧烷作为传感器件的界面，实现了电子元器件的可靠集成、以及传感器件与人体皮肤之间的稳定贴附。

吴豪为第一作者和通讯作者，武汉协和医院刘玉田医生与复旦大学李卓研究员为主要共同作者。

另据悉，在临床上皮瓣的类型是多种多样的，不同类型皮瓣之间的血供来源、表面形貌、厚度、以及血管吻合类型均不相同。

因此，他们计划针对临床上不同类型的皮瓣进行术后监测，并进一步探索所得信号与皮瓣血运状态之间的内在联系。

同时，课题组计划将现有成果扩展至皮瓣的术前监测，以便指导不同类型皮瓣的术前设计。目前，已经取得了一些初步结果。

吴豪表示：“我们开展的研究强调立足实际需求、主张应用驱动。除本次论文之外，我们在医工交叉领域还有大量研究正在推进：例如与医院神经外科合作开发开颅手术监测技术、与重症监护科合作研究危重症患者的生理状态监测技术、以及与康复科合作研究神经电生理诊断及治疗技术等。”

留学美国归来，并拥有芯片厂商工作经验

据了解，吴豪主要研究先进电子器件和制造工艺装备。具体来说：一是研究柔性混合电子设计制造与应用，二是研究以芯粒异质异构集成为代表的先进封装技术工艺与装备开发。

其中，在柔性混合电子的研究上，他主要研究机器人的类人触觉感知、人机交互、以及人体健康监测与治疗领域。

针对机器人类人触觉感知，他和团队从新材料和新结构出发，开发出一系列电子皮肤传感器，针对压力、应变、温度、粗糙度、纹理和滑移等物理量，都有着不错的灵敏度。

同时，课题组也在推广机器人电子皮肤的实际应用，其曾和一家机器人公司联合开发出一种大面积电子皮肤。它能用于碰撞监测和人机协作，可以实现多达 1024 通道的测量，从而对碰撞行为做出快速响应。

此外，该团队还与一家医疗公司合作开展了血运分析、以及基于特殊场景的生理电采集系统开发。

在可穿戴人机交互器件与系统上，课题组借助高性能的阵列式传感器，结合高性能人工智能算法，针对多种生理电信号与运动信号，实现了稳定采集与高效识别，在人体情绪识别、机器人遥操作、多媒体控制、虚拟现实交互等场景中具备应用潜力。

在人体健康监测上，他们曾开发一系列的传感系统，这些器件能被贴附在皮肤表面，可以采集生理电、血氧、血流、体温、运动等信号。目前，课题组正与武汉同济医院、武汉协和医院联合开展临床转化。

回国之前，吴豪曾在美国佐治亚理工学院攻读博士。期间，他主要研究晶体硅材料切片的机理与工艺优化。毕业后，他来到美国英特尔公司工作从事 2.5D/3D 封装工艺装备的研发，这让他掌握了半导体工艺开发的经验。

回国从事科研之后，业界的工作经历培养了他的工程化思维。如今，他主张从工程角度出发、立足于应用层面、服务于真实需求，从实际需求之中凝练科学问题之后，再来开展相应的基础研究。

前面提到，吴豪曾在芯片厂商工作过。尽管目前以研究传感器件为主，但他并未放弃在芯片上的技术积累。之前，他在业界研发的相关工艺和装备，被成功用于嵌入式多芯片互连桥接、以及 Foveros 3D 封装技术的量产之中。

转到学界之后，他重新启动了先进封装的课题。其表示：“目前我们一些龙头企业开展了紧密合作，主要针对合作者的需求进行材料、工艺和装备的开发。”

1.Wu, H., Li, Z., Xu, Z., Huang, X., Guo, W., Zhao, J., ... & Liu, Y. (2023). On-skin biosensors for noninvasive monitoring of postoperative free flaps and replanted digits. Science Translational Medicine, 15(693), eabq1634.

排版：罗以

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