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  香港城市大學(xué)（CityUHK）生物醫(yī)學(xué)工程系史鵬教授課題組報(bào)道了一種基于水凝膠電子設(shè)備的閉環(huán)系統(tǒng)，旨在構(gòu)建智能化的大腦疾病治療策略。在智能治療系統(tǒng)中，藥物可以被精準(zhǔn)控制從而為病患定制個(gè)性化的治療方案。通過集成閉環(huán)組件，希望能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)患者的疾病狀態(tài)并相應(yīng)地調(diào)整治療策略，從而實(shí)現(xiàn)最佳的治療效果。作為應(yīng)用實(shí)例，該課題組利用基于水凝膠電子器件的閉環(huán)系統(tǒng)，將電生理記錄和可編程的藥物釋放干預(yù)無縫銜接，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的抗癲癇管理。

  本文提出構(gòu)建單一組分、基于水凝膠的有機(jī)電子設(shè)備，該水凝膠裝置能夠?qū)㈦娚碛涗浐退幚韺W(xué)干預(yù)無縫銜接，以實(shí)現(xiàn)卓越的抗癲癇效果。這種植入式水凝膠裝置可以同時(shí)充當(dāng)神經(jīng)電極和藥物儲(chǔ)存裝置，將記錄的神經(jīng)電信號(hào)作為實(shí)時(shí)病理反饋，觸發(fā)藥物釋放，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的癲癇管理。作者表示，當(dāng)該設(shè)備植入到患癲癇的嚙齒動(dòng)物體內(nèi)時(shí)，它能夠?qū)崿F(xiàn)自主的預(yù)防性抗癲癇管理。一旦檢測(cè)到異常的“癲癇樣”信號(hào)，設(shè)備就會(huì)將抗癲癇藥物以精確地劑量輸送到目標(biāo)區(qū)域，從而有效地清除癲癇發(fā)作，同時(shí)大大減少了抗癲癇藥物的使用。相關(guān)工作以“Multifunctional hydrogel electronics for closed-loop antiepileptic treatment”為題發(fā)表于《科學(xué)-進(jìn)展》（《Science Advances》）。論文的共同第一作者是香港城市大學(xué)的屈錦博士和謝凱博士，通訊作者為史鵬教授。

（圖）閉環(huán)系統(tǒng)輔助智能神經(jīng)治療。

  作者強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于利用新型電活性水凝膠構(gòu)建單組分，多功能裝置，通過閉環(huán)策略實(shí)現(xiàn)自主預(yù)防性抗癲癇管理。該策略包括實(shí)時(shí)電生理經(jīng)監(jiān)測(cè)和反饋控制的藥物釋放。在對(duì)癲癇嚙齒動(dòng)物的測(cè)試中，該方法通過多次預(yù)防性釋放抗癲癇藥物（丙戊酸鈉，VPA）成功抑制了癲癇發(fā)作，總劑量比其他臨床相關(guān)的VPA給藥方法（包括腹腔注射或中樞神經(jīng)系統(tǒng)直接輸注）的使用量至少低3個(gè)數(shù)量級(jí)。

（圖）柔性水凝膠生物電子設(shè)備的概覽照片（左）和特寫照片（右）。

  “水凝膠生物電子設(shè)備不僅在抗癲癇干預(yù)中展示了更好的治療效果，還減少了因過度用藥引起的潛在藥物副作用。隨著更多人工智能（AI）組件的加入，反饋信號(hào)也可以進(jìn)一步細(xì)化，更好地分析或預(yù)測(cè)患者的生理狀況，從而更智能地參與治療干預(yù)。我們相信，這種閉環(huán)系統(tǒng)為下一代智能神經(jīng)治療提供了一種有前途的替代方案。”史鵬教授評(píng)價(jià)道。

（圖）用于自適應(yīng)抗癲癇治療的閉環(huán)生物電子系統(tǒng)的示意圖。

  作者最后展望道，除了抗癲癇治療之外，這種閉環(huán)系統(tǒng)在其他疾病的智能健康管理中也有很大的潛力，例如心律失常、帕金森病和仿生假肢等。作者的未來計(jì)劃包括進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)，并使其適應(yīng)其他未滿足的醫(yī)療需求。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq9207

  課題組介紹：

  MULTISCALE INTEGRATIVE NEUROENGINEERING LABORATORY (MINE-lab)課題組位于香港城市大學(xué)的跨學(xué)科生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室。主要研究通過跨學(xué)科的方法，從事生物傳感器，生物芯片，以及高通量篩選技術(shù)的研究和系統(tǒng)開發(fā)，并致力于發(fā)展相關(guān)技術(shù)在神經(jīng)生物學(xué)，生物電子學(xué)，腦科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  課題組網(wǎng)址：

  https://shipeng2.wixsite.com/minelab

  https://personal.cityu.edu.hk/pengshi/