严重的软组织缺损和断指是临床上常见的损伤。主要的治疗方法包括手术游离皮瓣转移和手指再植，但这些方法可能因血管受损而失败。因此，术后监测对于及时发现血管阻塞和再植指和游离皮瓣的存活至关重要。然而，目前的术后临床监测方法是劳动密集型的，高度依赖于护士和外科医生的经验。

2023年4月26日，华中科技大学刘玉田、吴豪和复旦大学李卓在Science Translational Medicine在线发表了题为“On-skin biosensors for noninvasive monitoring of postoperative free flaps and replanted digits”的研究论文，该研究开发了基于脉搏血氧仪的无创和无线术后监测的皮肤生物传感器。皮肤上的生物传感器由聚二甲基硅氧烷和梯度交联制成，以创建一个与皮肤界面自粘和机械坚固的基底。研究结果表明，该基板在一侧具有适当的粘附性，既可以实现传感器的高保真测量，又可以降低剥离损伤脆弱组织的风险。另一侧展示了机械完整性，以方便传感器的灵活混合集成。利用大鼠血管阻塞模型进行的验证研究证明了传感器在体内的有效性。

临床研究表明，皮肤上的生物传感器在识别微血管状况方面比目前的临床监测方法更准确，反应更快。与现有的监测技术，包括激光多普勒血流法和微光导分光光度法的比较，进一步验证了传感器的准确性和识别动脉和静脉功能不全的能力。这些发现表明，这种皮肤上的生物传感器可以直接从手术部位提供敏感和公正的数据，可以远程监测，从而改善游离皮瓣和再植手指手术的术后结果。

严重的软组织缺损和断指，通常是由工作创伤、肿瘤切除或感染引起的，是一种常见的临床现象。自20世纪60年代首次进行上肢血运重建术以来，显微外科重建技术有了长足的发展，目前的外科手术包括手指再植和游离皮瓣转移。在软组织损伤无法修复的情况下，经常需要使用自由皮瓣来覆盖重要结构和关闭复杂的缺陷。血管微吻合也常用于再植和皮瓣转移以恢复血液灌注。再植或皮瓣失败是手术后最严重的并发症，通常发生在48小时内，因为血管受损。

虽然已经提出了用于监测血管流动(激光多普勒血流法和多普勒超声法)或组织氧合的无创技术，但准确性、成本、不连续监测、不便和数据解释等问题限制了它们的使用。此外，photoplethysmograph (PPG)的原理已被广泛应用于脉搏率和氧饱和度(SpO2)的评估。然而，由于发光二极管(led)和光电探测器必须在相反的两侧的限制，传统的传输模式脉搏血氧仪只能用于可以透光的组织，如耳垂或手指。传统的脉搏血氧仪对皮肤和组织施加机械应力，这对于手指再植或皮瓣转移的情况是不可接受的。

术后最常用的监测方法是由护士和外科医生对皮肤进行临床评估，包括颜色、肿胀、温度和毛细血管充盈，这是主观的，取决于评估者的经验。不准确的判断可能会延迟对失败皮瓣或手指的及时识别，这对于通过手术室重新探查抢救至关重要。此外，这些监测方案可能需要高频率的检查，导致医院的劳动力负担增加。因此，迫切需要开发无创、定量、准确、快速反应和易于使用的监测技术。

在过去的十年里，由于对生物物理和生理信号进行高保真测量的优势以及长期实时监测的能力，皮肤上的电子设备已经兴起。然而，挑战仍然存在，特别是在设计足够柔软和粘附皮肤的界面方面。理想情况下，皮肤上的设备将表现出与人体皮肤相似的物理特性(杨氏模量，0.02至1 MPa)，以避免机械损伤并提高穿着舒适性。对皮肤的适当粘附也是确保准确测量和消除运动伪影的关键。实现皮肤-设备界面柔软性和粘附性的一种方法是形成压敏粘合剂(PSA)，它允许在室温下瞬间粘合，而不涉及任何化学反应。然而，先前报道的均质PSA容易受到杂质和灰尘的影响，导致设备污染和故障。此外，这些PSA表现出较差的机械强度和刚度，这增加了损伤，限制了它们承受机械载荷或促进部件集成的能力。

皮肤传感器的设计与测量性能（图源自Science Translational Medicine ）

机械稳健性对表面电子器件的衬底也至关重要。由于其在计算效率上的优势，基于刚性集成电路(IC)的组件的集成是信号处理和无线数据传输等功能所必需的。传统系统通常需要刚性印刷电路板(PCB)作为基板来保持系统的可靠性。然而，对于皮肤上的电子产品，必须提出可拉伸的替代品。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其高拉伸性、化学稳定性、机械稳健性和生物相容性而成为最广泛采用的底物，并且已经开发了各种策略来成功地将集成电路集成到PDMS上。然而，这些可拉伸的基材本身并不粘附在皮肤上，而且其附着依赖于弱的范德华力。

受自然梯度结构的启发，该研究通过调整铂(Pt)催化剂的扩散过程，使用具有梯度交联密度的PDMS (GCDPDMS)设计了皮肤/设备接口。利用这种梯度策略，该研究制造了无线生物传感器，开发了一种用于皮肤上生物传感器的梯度复合材料，该复合材料允许适当地粘附到敏感皮肤和精确测量，同时保持电子设备集成的稳健性。该研究的临床前和临床研究表明，基于脉搏血氧测量的皮肤生物传感器可以测量脉搏氧饱和度，准确地识别游离皮瓣和再植手指的血管状况，可用于游离皮瓣和再植指的无创术后监测。该系统为术后患者潜在手术并发症的监测提供了一种简单、客观的方法。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abq1634

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