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近日，華中科技大學積體電路學院臧劍鋒教授團隊在生物醫學工程領域取得重大突破，開發出一種全新的全水凝膠超聲植入式感測器（Metagel感測器），為體內組織損傷監測提供革命性的柔性、可降解、無線的解決方案。相關研究成果以題為"An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains"，於2025年4月14日線上發表於Nature Biomedical Engineering期刊。
• 全柔性可降解：100%水凝膠材料構成，生物相容性極佳
• 無源無線監測：獨創聲子晶體結構，透過微孔排列變化感知組織應變
• 精準動態追蹤：超聲回波訊號即時反映體內組織力學狀態
• 無需定期充電：無需電池/金屬/晶片，實現"植入即忘"監測
該感測器完全由柔軟的水凝膠材料構成，內部嵌入數百個空氣微孔，形成特殊的聲子晶體結構。當人體組織發生拉伸或振動時，感測器結構會發生微小變形，進而引起其聲帶隙頻率的改變。透過體外的超聲探頭即可即時接收並分析回波訊號，準確反映體內組織的應變狀態，實現無需電池、無金屬、無晶片的連續無線監測。華中科技大學博士田野，楊月瑩，唐瀚川為論文共同第一作者，臧劍鋒教授、唐瀚川副教授、尹周平教授以及西南大學徐立群教授為共同通訊作者。這項突破標誌著我國在智慧生物醫學器件領域取得國際領先成果。
本工作提出了一種創新的Metagel感測器，它像是一架植入體內的“水凝膠風琴”：在果凍一樣柔軟的水凝膠中規則排列的空氣孔結構，就像風琴中有序排列的音管。當體內組織發生運動或拉伸時，這架“風琴”會隨之變形，改變其聲波共鳴的“音調”。體外的超聲探頭就像聆聽的耳朵，能準確捕捉到每一次“音調”的變化，從而即時感知心跳、呼吸、傷口癒合等內部生理活動。無需電池、無需晶片，這架“風琴”悄無聲息地演奏著身體的健康旋律，成為了連線醫生與體內訊號的橋樑。
圖2. 可植入“水凝膠風琴”照片
研究團隊透過在豬體內進行為期30天的植入實驗，成功監測到了肌腱拉伸、呼吸、心跳及傷口癒合等過程，驗證了該器件的長期穩定性、生物相容性與可降解性。尤其值得一提的是，研究人員還將生長因子加載於Metagel中，實現了不同癒合速度下的傷口動態監測，展示出其在康復評估、藥效評價、慢病管理等方面的廣泛應用前景。
論文通訊作者，華中科技大學積體電路學院臧劍鋒教授表示：“這項技術為體內深層傷口的康復監測，提供了一種無創、長期的體內監測方案。或許在不久的將來，患者在接受手術後將無需再頻繁地回到醫院進行復查，足不出戶即可對自身康復狀態進行即時監測。”
該成果不僅突破了傳統電子植入式器械在材料生物相容性、無線傳輸和可降解性方面的技術瓶頸，也為今後開發更加柔軟、安全、智慧的體內感測器提供了全新思路。目前，團隊正在與臨床機構密切合作，推進該技術在肌腱康復監測、心血管疾病預警、術後康復管理等多領域的轉化應用，持續推動健康監測走向柔性化、智慧化和個性化。該研究得到國家自然科學基金原創探索計劃專案、面上專案，中國博士後科學基金，華中科技大學交叉研究專案，太湖創新基金的資助支援。
圖3.超凝膠應變感測器的系統設計
柔軟可變形的超凝膠感測器僅由水凝膠材料和插入其中的空氣孔結構組成，透過外部超聲探頭檢測超凝膠的聲學帶隙頻移來檢測應變。
圖4. 超凝膠應變感測器的感測機制
超凝膠應變感測器由柔軟的水凝膠和插入其中的密封空氣孔結構組成，空氣孔結構的尺寸和形狀與超凝膠的聲學帶隙相關聯。
圖5. 超凝膠應變感測器的感測效能
超凝膠應變感測器在無線感測場景中，可以實現對0.3%微小應變的靈敏檢測，同時在2000次的迴圈拉伸中保持了穩定的頻移監測。
圖6. 在離體動物組織上測試超凝膠感測器的應變感測功能
在離體動物組織上，超凝膠感測器實現了對肌腱拉伸，外部敲擊，肌腱損傷，豬皮傷口以及心臟跳動的頻率和幅度的無線連續監測。驗證了超凝膠應變感測器在生物醫學領域廣泛的應用場景。
圖7. 超凝膠應變感測器的生物相容性/可降解效能
得益於超凝膠感測器的全水凝膠設計，感測器在生物相容性和生物可降解性方面表現出色。超凝膠感測器在植入後12周的時間內可自然降解，無需二次手術進行取出。
圖8. 超凝膠感測器在活體巴馬豬模型中實現了對肌腱康復的監測，和對呼吸、心跳等重要生理引數的監測功能
超凝膠感測器在植入活體巴馬豬一個月的時間裡，保持了穩定的肌腱拉伸監測功能。如果將超凝膠感測器植入在活體巴馬豬的受損肌腱上，則可以連續無線地監測肌腱的康復情況。另外，超凝膠感測器也可以用於連續無線地監測呼吸、心跳等重要生理活動所產生的機械應變訊號。該技術有望應用於運動損傷康復、術後監測等多個場景，為精準醫療提供全新工具。
https://doi.org/10.1038/s41551-025-01374-z
團隊簡介
臧劍鋒教授於2014年入選國家級青年人才計劃並加入華中科技大學，其專注於醫工交叉的基於智慧軟材料的創新醫療器械研究，研究方向包括柔性電子、植入式器件與磁醫用機器人。近年來，取得了一系列代表性的科研成果，提出了面向醫療健康應用的聲學軟材料理論，提出了自然聆聽仿生耳蝸設計原理，開發了血管內機器人化栓塞技術。獲湖北省自然科學獎二等獎、國際先進材料學會2023年度科學家獎章，英國皇家化學會會士FRSC，發表Nature, Nature Materials, Nature Biomedical Engineering, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications（3篇）等90多篇論文，申請發明專利40餘項，授權發明專利30餘項。主持國家重點研發計劃專案、國家自然科學基金原創探索計劃專案等國家或重點企業專案10餘項。擔任中國工程院院刊《Engineering》青年編委、柔性電子ISFSE 2017/2018、軟體機器人SoRo 2019/2020等國際國內會議共同執行主席,受邀國際國內學術會議邀請報告40餘次。本課題組歡迎不同背景（尤其是電子、光電、機械，材料，生物醫學工程等）的優秀博士生/碩士生/碩士生/本科生申請加入研究團隊！同時招聘研究助理及博士後。希望不同背景的我們，能夠在團隊內碰撞出思維的火花，為了同一個目標努力，一起快樂地做有意思且有意義的科研工作！
圖1. 華中科技大學積體電路學院臧劍鋒教授研究團隊
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