由于社会的快速发展、居民生活方式的改变以及人口老龄化的变化趋势，心血管疾病对居民健康的影响愈发显著，开发能够长期随体预防、诊断和治疗的可植入装置是非常有必要的。光遗传学因为具有细胞选择性、高时空准确性和节律调控性等优势，被认为是一种在大脑和心脏疾病等领域具有前景的技术，但是目前心脏光遗传学器件存在时间延迟长、功耗大和便携性差等问题，本研究基于新型负拉阻MEMS应变传感器研发一种高度集成的植入式心脏光遗传系统，可以通过力-电-光的转换对心脏进行心率闭环监测和自适应光刺激心率调控，从而在低功耗的条件下缩短抢救时间并提高治疗效率。
传统导电聚合物在受到拉伸时，由于导电通路破坏导致电阻迅速升高，在与LED串联的电路中使得LED光强降低甚至断路，然而基于高浓度CNT和天然乳胶（CNT-Natural Latex, CNL）的复合材料在受到外力拉伸时电阻大幅下降，作者将其定义为负拉阻（Negative Stretching-resistive）现象并对进行深入研究。CNL薄膜受在到86.6%应变时电阻下降75.3%，将负拉阻薄膜和LED灯串联，薄膜受到拉伸时，LED光强明显增加。负拉阻现象的出现将突破目前可延展器件的瓶颈，系统中传感和执行单元的效率及能耗不再受限于一定的应变范围，甚至在负拉阻传感的加持下效率及能耗性得到大幅提升。
该工作将负拉阻传感集成于可植入闭环自适应光遗传系统，通过负拉阻材料的电阻变化检测心率的同时，一旦发生心律失常，发出警报并打开自适应光遗传刺激模块。在光遗传模块中，由于包裹于心脏表面的负拉阻材料随心脏舒张受到拉伸，回路中电阻降低导致LED光强提高，从而自适应调控光强并提高光遗传治疗的效率。该闭环自适应光遗传系统具有集成度高、功耗低和效率高的特点，并通过犬类在体实验验证系统的功能性及其优越性。
基于该负拉阻效应的系统研究，负拉阻传感有望被推广应用到更多可植入/可穿戴的器件中，并且目前研发的基于负拉阻传感的自适应光遗传系统将进一步微型化以推广其临床应用。
上海交通大学电院博士生洪雯和姜春蓬为论文共同第一作者，上海交通大学附属胸科医院秦牧医生和宋子良医生为论文合作作者，上海交通大学电院微纳电子学系智能感知与生物医学微系统实验室（EE-MEMS）刘景全教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。
刘景全团队长期致力于可植入/可穿戴MEMS器件和脑机接口器件研究（Adv. Mater. 2021、SMALL 2019和BIOSENS BIOELECTRON 2020等），并推动其临床转化。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4273
