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  在心血管疾病領(lǐng)域，開發(fā)能夠長期隨體預(yù)防、診斷和治療的可植入裝置是至關(guān)重要的，此類設(shè)備通過長期記錄生理參數(shù)，提醒個人及醫(yī)生異常生理特征以及潛在健康風(fēng)險。為了縮短心律失常的搶救時間和提高治療效率，對可植入器件提出了閉環(huán)監(jiān)測和精確控制的需求。光遺傳學(xué)因為具有細胞選擇性、高時空準(zhǔn)確性和節(jié)律調(diào)控性等優(yōu)勢，被認為是一種在大腦和心臟疾病等領(lǐng)域具有相當(dāng)前景的技術(shù)，但是目前心臟光遺傳學(xué)器件存在時間延遲長、功耗大和便攜性差等問題，因此亟需一種高度集成的植入式心臟光遺傳系統(tǒng)將閉環(huán)監(jiān)測與光遺傳治療相結(jié)合，達到高效診療的目的。

  近日，上海交通大學(xué)劉景全教授團隊在柔性MEMS應(yīng)變傳感器和光遺傳研究中取得新進展，在Science Advances發(fā)表題為“Self-adaptive cardiac optogenetics device based on negative stretching-resistive strain sensor”的研究論文。該研究工作報道了一種新型負拉阻應(yīng)變傳感器，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建針對室速疾病的閉環(huán)自適應(yīng)光遺傳系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集成度高、功耗低和效率高的特點。

圖1 負拉阻現(xiàn)象

圖2 基于負拉阻傳感的心臟自適應(yīng)光遺傳

  傳統(tǒng)導(dǎo)電聚合物在受到拉伸時，導(dǎo)電通路破壞導(dǎo)致電阻升高，然而基于CNT和天然乳膠（CNT-Natural Latex, CNL）的復(fù)合材料在受到外力拉伸時電阻大幅下降，作者將其定義為負拉阻現(xiàn)象并對其原理深入研究。CNL薄膜受在到86.6%應(yīng)變時電阻下降75.3%，將負拉阻薄膜和LED燈串聯(lián)，薄膜受到拉伸時，LED光強增加。

  基于負拉阻傳感設(shè)計和制備閉環(huán)自適應(yīng)光遺傳系統(tǒng)，將負拉阻材料和LED陣列集成于柔性基底包裹于心臟表面，通過負拉阻材料的電阻變化檢測心率的同時，依靠其負拉阻特性自適應(yīng)調(diào)控LED光強，包裹于心臟表面的負拉阻材料隨心臟舒張受到拉伸，回路中電阻降低導(dǎo)致LED光強提高，從而提高光遺傳治療的效率。該閉環(huán)自適應(yīng)光遺傳系統(tǒng)具有集成度高、功耗低和效率高的特點，通過犬類在體動物實驗驗證閉環(huán)自適應(yīng)光遺傳系統(tǒng)的功能性及其優(yōu)越性。

  該工作的第一單位為上海交通大學(xué)，第一作者為上海交通大學(xué)博士生洪雯和姜春蓬，合作作者為上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院秦牧醫(yī)生和宋子良醫(yī)生，通訊作者為上海交通大學(xué)劉景全教授。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目資助。

  該研究成果是劉景全團隊在可植入MEMS器件領(lǐng)域的又一突破性工作，劉景全團隊長期致力于可植入/可穿戴MEMS器件和腦機接口器件研究（Adv. Mater. 2021、SMALL 2019和BIOSENS BIOELECTRON 2020等），并推動其臨床轉(zhuǎn)化。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4273