顱內(nèi)壓（ICP），是指顱腔內(nèi)容物對顱腔壁上所產(chǎn)生的壓力。ICP數(shù)據(jù)是神經(jīng)重癥監(jiān)護中的關(guān)鍵指標，對于多種腦部疾病的診斷治療和顱內(nèi)高壓監(jiān)測（如因顱腦損傷、腦出血、腦腫瘤等引起的壓力增高）具有顯著的臨床意義。此外，實時變化的ICP數(shù)據(jù)也是面向特因需求的專業(yè)人員（如宇航員、高水平運動員等）進行科學(xué)訓(xùn)練的重要指導(dǎo)數(shù)據(jù)。然而，目前臨床顱內(nèi)壓監(jiān)測手段主要為腦室內(nèi)導(dǎo)管引流和腦實質(zhì)內(nèi)傳感器，均極度依賴外科手術(shù)，增加感染風(fēng)險的同時也會對被監(jiān)測者造成嚴重的二次傷害，因此，亟需一種新型無損顱內(nèi)壓監(jiān)測技術(shù)來解決這些痛點。
為了解決這一問題，北京理工大學(xué)沈國震教授與李臘副教授團隊基于自組裝的柔性接觸鏡式眼壓傳感系統(tǒng)，創(chuàng)新性地提出了利用原位眼壓（IOP）監(jiān)測實現(xiàn)非原位、無損、連續(xù)顱內(nèi)壓（ICP）監(jiān)測的新策略，并在體位誘導(dǎo)顱內(nèi)壓變化的動物實驗?zāi)Ｐ椭羞M行了充分的實用驗證。相關(guān)工作以題為“Crack-enhanced MXene-carbon nanotube soft contact lens for body-induced intracranial pressure application”的學(xué)術(shù)論文發(fā)表在《ACS Nano》上。
圖1. IOP傳感器通過原位監(jiān)測IOP變化實現(xiàn)實時ICP監(jiān)測
【“藕斷絲連”啟發(fā)的微裂紋增強傳感機制】
微裂紋傳感機制是一種基于材料內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)變化來檢測應(yīng)變、壓力或其他物理量的傳感原理，傳統(tǒng)微裂紋雖然靈敏度高但是穩(wěn)定形變檢測范圍極低（1%~3%），顯然無法滿足實時眼壓監(jiān)測（正常范圍10mmHg~20mmHg，峰值可達50mmHg）的要求。為了解決這一難點，研究者在力學(xué)傳感器的封裝層和敏感層之間加入了由水性聚氨酯（WPU）構(gòu)成的彈性介質(zhì)層，如圖2所示，在優(yōu)化表面親水性能和器件機械性能的同時進一步誘導(dǎo)微裂紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。使用復(fù)合材料作為導(dǎo)電敏感層，C-MWCNTs的加入導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)大量的褶皺。當(dāng)薄膜被拉伸到5%并放大到50 μm范圍時，可以觀察到產(chǎn)生狹窄的裂紋；當(dāng)拉伸到10%時，新的裂紋形成并擴大。在拉伸過程中，首先出現(xiàn)導(dǎo)電層中的Ti3C2Tx納米片斷裂，然而此時在納米片上形成導(dǎo)橋結(jié)構(gòu)，從而支撐著斷裂部分的末端；進一步拉伸導(dǎo)致裂紋上的C-MWCNTs斷裂，此時才會導(dǎo)致薄膜電阻值漂移。整個過程可以比作“藕斷絲連”的結(jié)構(gòu)，即C-MWCNTs作為“骨架”，在二維納米片開始產(chǎn)生裂紋時起到一定的連接支撐作用，阻止了裂紋的迅速擴展，保證了在較大檢測范圍內(nèi)有效的導(dǎo)電層，進而在實現(xiàn)傳統(tǒng)微裂紋結(jié)構(gòu)高靈敏性的同時有效拓寬了檢測范圍。
圖2.“藕斷絲連”啟發(fā)的微裂紋增強傳感機制
【IOP傳感器良好的生物相容性】
圖3.眼部可穿戴IOP傳感器的物理參數(shù)和生物相容性
基于微裂紋增強的傳感機制，研究者們設(shè)計并制備了一款自組裝的隱形眼鏡式IOP傳感器。該IOP傳感器的物理參數(shù)均與商用隱形眼鏡的安全標準參數(shù)相匹配，并通過細胞毒性試驗和生物佩戴實驗初步展示了傳感器的生物相容性?？紤]到實際佩戴過程的安全性，研究者們還進行了針對視網(wǎng)膜、角膜上皮和上下眼瞼的生物安全性測試，測試結(jié)果均證明了傳感器良好的佩戴安全性，同時加入了熱積累效應(yīng)和長期淚液浸泡穩(wěn)定性測試，從多角度保障了眼部可穿戴式IOP傳感器的良好生物相容性。
【IOP傳感器優(yōu)異的傳感性能】
圖4. IOP傳感器的響應(yīng)特性和商用ICP探針測試數(shù)據(jù)
研究者使用自建模擬眼壓測試平臺對自組裝的隱形眼鏡式眼壓傳感器進行了一系列傳感響應(yīng)測試，如圖4所示。在測試中，IOP傳感器展示出了對不同壓力條件、不同壓力變化速率、短時間內(nèi)連續(xù)階梯式壓力變化的優(yōu)異響應(yīng)，并且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和可重復(fù)性。值得注意的是，在測試過程中，IOP傳感器展示出33.21 mV/mmHg的超高靈敏度和60 mmHg的超寬監(jiān)測范圍，均為目前文獻報道的電阻型接觸鏡式眼壓傳感器的最優(yōu)值。在眼壓的上升和下降過程中，輸出電壓均遵循良好的線性變化趨勢，在上升過程中，線性回歸系數(shù)R2為0.99426；在下降過程中，R2為0.99589，且兩個過程中的靈敏度波動僅為0.13%，響應(yīng)時間小于100ms且最低分辨率為0.6mmHg，遠優(yōu)于商用IOP傳感器。多層次性能測試充分證明了IOP傳感器可以滿足復(fù)雜條件下眼壓實時監(jiān)測的各項需求。
【IOP傳感系統(tǒng)用于無損顱內(nèi)壓監(jiān)測】
圖5. IOP傳感系統(tǒng)用于無損ICP監(jiān)測的驗證
多項臨床研究已經(jīng)證明，眼壓和顱內(nèi)壓之間有很強的相關(guān)性，但不幸的是，這些研究依據(jù)的數(shù)據(jù)均為小樣本單點監(jiān)測，缺乏連續(xù)實時檢測的數(shù)據(jù)支撐。針對這一問題，研究者們設(shè)計了一種體位誘導(dǎo)顱內(nèi)壓變化的動物實驗?zāi)Ｐ?/strong>，用以驗證眼壓檢測顱內(nèi)壓策略的合理性。研究者設(shè)計了一種感知-驅(qū)動-反饋系統(tǒng)，用以在實際應(yīng)用場景中實現(xiàn)簡易操作、小型化可穿戴、數(shù)據(jù)可視化實時反饋的要求，該系統(tǒng)具有良好的線性度（R2 = 0.996）和靈敏的響應(yīng)速度（Int. = 400 ms）。通過與商用顱內(nèi)壓傳感設(shè)備的協(xié)同工作，充分驗證了在體位誘導(dǎo)顱內(nèi)壓變化的動物實驗?zāi)Ｐ椭校?strong>IOP的連續(xù)變化曲線與ICP的曲線具有明顯的一致性變化趨勢和對應(yīng)性關(guān)鍵節(jié)點，為眼壓無損檢測顱內(nèi)壓策略提供了有力實驗數(shù)據(jù)支撐。除此之外，研究者還進行了統(tǒng)計學(xué)分析（Spearman相關(guān)系數(shù)為0.8971，p值為0.0017）和解剖學(xué)原理分析（眼房水動力學(xué)和跨篩板壓差理論），多維度論證了這一策略的合理性，為顱內(nèi)壓監(jiān)測開辟了一種全新的、經(jīng)濟的、有效的方法，在早期診療和精準醫(yī)療等方面顯示出巨大的潛力。
小結(jié)
研究者們提出一種全新的類“藕斷絲連”的微裂紋增強機制，并開發(fā)了一款MXene基的角膜接觸鏡式IOP傳感器，該傳感器具有良好的生物相容性和優(yōu)異的傳感響應(yīng)。進一步地，研究者們構(gòu)建了一套感知-驅(qū)動-反饋系統(tǒng)，并協(xié)同商用ICP傳感器在體位誘導(dǎo)顱內(nèi)壓變化的動物實驗?zāi)Ｐ椭序炞C了眼壓無損檢測顱內(nèi)壓策略的可行性，為神經(jīng)危重癥監(jiān)控、專業(yè)人員科學(xué)訓(xùn)練和眼球-顱腦關(guān)聯(lián)研究等提供了一種新思路。
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c18484
來源：高分子科學(xué)前沿
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