Biodegradable and stretchable hydrogel-nanomembrane interface for conformal transient bioelectronics = 생분해성과 신축성 하이드로젤-나노멤브레인 인터페이스 기반의 조직 접착형 생체전자기기

국문 초록 (Abstract)

심장 질환의 모니터링과 전기적 조절을 위해서는 체내 이식형 심장 바이오 전자기기가 필수적이다. 그러나 기존의 장치는 단단한 전자 재료로 구성되어 있어, 심장 조직과의 기계적 특성 불일치를 유발하고 조직 손상을 초래할 수 있다. 또한, 봉합이나 직접 삽입과 같은 침습적 시술이 필요하며, 제거를 위한 2차 수술까지 요구되어 환자에게 위험을 증가시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 심장 전극이 심장 조직과 순응적으로 접촉하여 안정적인 신호 모니터링과 전기적 조절을 수행한 뒤, 체내에서 자연 분해되는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 심외막(epicardial) 에 최적화된 신축성, 생분해성 하이드로젤–나노멤브레인 전극(SBHNE)을 제시한다. 이 전극은 봉합 없이 심장 표면에 즉각적으로 부착되며, 약 한 달 내에 완전 생분해된다. SBHNE는 세 가지 핵심 구성 요소로 이루어진다: 조직과의 순응형 접촉을 제공하는 생체접착성 야누스(Janus) 층, 신축성이 높은 몰리브덴 나노멤브레인, 그리고 전기전도 및 임피던스 감소를 담당하는 전도성 하이드로젤 층이다. 이러한 구조적 설계는 5초 이내의 빠른 부착, 심장 조직과 유사한 기계적 순응성, 300% 신장률에서의 안정적 성능, 그리고 50% 변형에서 1,000회 반복 인장 후에도 신뢰할 수 있는 저항 변화를 가능하게 한다 SBHNE는 in vivo에서 심장 신호의 안정적인 모니터링과 전기적 조절에 활용될 수 있다. 또한 외부 웨어러블 펄스 제너레이터와 연결하면, 심근 허혈(mouse) 모델에서 지속적이며 필요 시(on-demand) 심장 자극이 가능해진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Implantable cardiac bioelectronics are essential for monitoring and modulation for cardiovascular diseases. However, conventional devices are composed of rigid electronic materials, which can cause mechanical mismatch between the rigid electrodes and soft cardiac tissue and lead to tissue trauma. In addition, they require invasive procedures, like surgical suturing or direct insertion, and necessitate secondary surgery for device retrieval, increasing risks to patients. To address these problems, the cardiac electrodes can conformally contact to cardiac tissue to ensure stable signal monitoring and modulation, followed by biodegradation. Here, we present a stretchable and biodegradable hydrogel–nanomembrane electrode (SBHNE) optimized for epicardial applications. The electrode adheres conformally to the epicardial surface and undergoes complete biodegradation within one month. It comprises three key components: a bioadhesive Janus hydrogel layer for conformal tissue attachment, stretchable molybdenum nanomembrane and conductive hydrogel layer for electrical conduction and impedance reduction. This architecture enables rapid adhesion within 15 s, mechanical compliance comparable to cardiac tissue, and stable performance with 300% stretchability and reliable resistance variation at 50% strain after 1,000 stretching cycles. The SBHNE can be applied for monitoring epicardial signals and modulation in vivo. Also, connecting to an external wearable pulse generator, SBHNE allows sustained and on-demand cardiac stimulation in a myocardial ischemia mouse model.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Structure design and composition of SBHNE 3
• 2.1. Structure design of SBHNE 3
• 2.2. Layer functionality of SBHNE 5
• 3. Fabrication and mechanism of SBHNE 7
• 3.1. Fabrication of SBHNE 7
• 3.2. Mechanism of SBHNE 12
• 4. Enhanced electrical and electrochemical performance. 17
• 4.1. Enhanced electrical stretchability. 17
• 4.2. Electrochemical performance and stability 24
• 5. Mechanically compliant and sutureless tissue adhesion 27
• 5.1. Mechanical compliance 27
• 5.2. Sutureless tissue adhesion 31
• 6. Biodegradability and biocompatibility of SBHNE 34
• 6.1. Biodegradable performance 34
• 7. In vivo epicardial sensing and modulation. 39
• 8. Experimental section 44
• 8.1. Fabrication of Mo NP/Mo NS NM 44
• 8.2. Fabrication of HPU/PEDOT:PSS 45
• 8.3. Fabrication of PVA-PAA NHS ester adhesive hydrogel 45
• 8.4. Fabrication of SBHNE 46
• 8.5. Electrical and electrochemical experiment 47
• 8.6. Mechanical and tissue-adhesion test 48
• 8.7. Epicardial sensing and modulation. 49
• 9. Conclusion 51
• 10. References 52
• 요약 (국문초록) 56