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目前臨床上有線顱內壓力等生理引數的監測,需要將有線感測器經手術植入顱內,存在感染、術後併發症等風險。現有無線電子感測器雖可一定程度避免此類風險,但由於體積較大(如傳統電子元件一般>1cm3)無法微創注射,且無法在體內降解還需要再次手術取出,因此在臨床應用上面臨重重挑戰。
針對這一難題,華中科技大學臧劍鋒教授團隊、姜曉兵教授團隊以及新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊提出了“超聲超構凝膠”感測器。該感測器由雙網路交聯的水凝膠基質和內部週期性排列的空氣孔道組成,體積僅2×2×2mm3。透過計算機模擬結構最佳化,這種特殊結構在8-10MHz頻段具有聲學帶隙,對入射超聲波有很強的反射能力。當凝膠受到壓力、溫度、pH等環境變化時,會引起內部微觀結構變形,進而導致反射聲波頻率發生可測量的偏移。相關工作以“Injectable ultrasonic
sensor for wireless monitoring of intracranial signals” 為題今天線上發表在Nature上。
sensor for wireless monitoring of intracranial signals” 為題今天線上發表在Nature上。
研究團隊採用不同的智慧水凝膠基質,設計了三種功能凝膠感測器用於檢測不同引數:壓力凝膠採用雙交聯聚乙烯醇/羧甲基纖維素凝膠,具有優異的力學效能,靈敏度可達5.7kHz/mmHg,解析度0.1mmHg;溫度凝膠由溫敏性聚乙烯醇/聚丙烯醯胺凝膠構成,溫度檢測範圍28-43℃,解析度0.1℃,靈敏度80kHz/℃;pH凝膠則利用質子化聚乙烯醇/殼聚糖凝膠,可檢測pH 2-8的範圍,解析度0.5pH單位,靈敏度256kHz/pH單位。
圖1. 可注射、可降解的超凝膠超聲感測器設計原理。(a)基於超聲反射的超凝膠無線顱內生理感測器示意圖。(b)超凝膠樣品及穿刺針照片，比例尺2 mm。(c)超凝膠結構顯微鏡照片，比例尺500微米。(d)照片顯示超凝膠浸泡在wen37度的PBS溶液中一個月後開始降解。(e)超凝膠工作原理示意圖。(f)變形導致超凝膠反射峰值頻率偏移示意圖。(g)超凝膠能帶結構圖。(h, i)帶隙中心頻率隨晶格常數(h)及佔空比(i)變化曲線圖。(j, k)超凝膠變形前後聲場（模擬）分佈。
圖2. 超凝膠超聲感測器體外測試表徵。(a)溫度及pH響應超凝膠示意圖。(b)超凝膠及純水凝膠照片（頂部）與超聲影像（底部），比例尺2 mm。(c)超凝膠結構顯微鏡照片，比例尺500微米。(c, d)超凝膠與純水凝膠超聲反射訊號時域對比(c)與頻域對比(d)。(e)壓力超凝膠與商用壓差計壓力測試對比。(f)壓力超凝膠校準曲線。(g) 溫度超凝膠與商用溫度計溫度測試對比。(h) 溫度超凝膠校準曲線。(i) pH超凝膠與商用溫度計溫度測試對比。(j) pH超凝膠校準曲線。(k) 壓力超凝膠反映臨近血管模型內流速。
上述三種凝膠都採用生物相容性且生物可降解的材料,注射入體約1個月後就會自然降解、無需再次開顱取出。同時,研究團隊提出了同步讀取多個凝膠感測器的新方法,透過檢測各個凝膠的反射頻率變化,結合先進演算法可高效分離壓力、溫度、pH等多種因素的耦合影響,實現對複雜生理環境的全面監測。
圖3. 活體大鼠感測實驗及生物相容性表徵。(a)實驗裝置配置照片。(b)超凝膠植入在大鼠顱內的磁共振影像，比例尺2 mm。(c)大鼠佩戴外部超聲探頭照片。(d)超凝膠與臨床有線顱內壓探頭測試大鼠顱內壓力變化曲線。(e, f) 超凝膠與商用有線溫度探頭測試大鼠顱內溫度變化曲線。(g)超凝膠24天內多次監測大鼠顱內壓變化。(h) H&E染色腦組織切片照片顯示超凝膠降解過程。(i) 免疫熒光染色照片顯示超凝膠存續期間炎症情況。
圖4.實驗豬無線顱內壓原位監測。(a)實驗方案配置示意圖。(b)超凝膠及臨床有線顱內壓探頭植入後豬頭部照片。(c) 豬腰椎穿刺位置照片。(d)超聲影像照片顯示超凝膠植入豬顱內位置。(e) 超凝膠、商用壓差計以及臨床顱內壓探頭測量豬顱內壓隨腰椎注射生理鹽水變化曲線。(f)體積測試管液麵高度照片顯示豬顱內壓隨呼吸起伏。(h) 超凝膠、商用壓差計以及臨床顱內壓探頭測量豬顱內壓隨呼吸變化曲線。臨床顱內壓探頭難以測量微小顱內壓變化。
在隨後的大鼠和豬動物實驗中,這一凝膠感測系統展現出媲美商用有線臨床裝置的檢測精度,且在耗能、無熱效應等方面表現出極大優勢。令人振奮的是,在實驗豬體內它甚至能檢測到微小的呼吸引起的顱內壓力細微波動(約1mmHg),而同步植入的有線壓力感測器則無法監測到如此精細的變化。
文章提出了一種新的植入式無線感測方法，該方法基於超凝膠變形誘導的超聲頻移機制，用於準確監測顱內訊號，包括壓力、溫度、pH和流速。與現有的無線植入式感測器研究相比，超凝膠感測器在植入物尺寸、多訊號解耦監測和生物降解性等方面具有優勢。這項創新技術未來不僅可用於顱內生理引數監測,還可應用於人體其它部位的無創診斷,為多種疾病防治提供新的技術手段。這一微型可降解感測器僅需微創注射便可工作,大大提高了就診便利性,必將為推動智慧醫療健康事業的發展注入新的動力。
論文第一作者為華中科技大學積體電路學院博士後唐瀚川、博士生楊月瑩以及華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院博士生劉禎。論文通訊作者為華中科技大學積體電路學院學院、武漢光電國家研究中心臧劍鋒教授，新加坡南洋理工大學陳曉東教授以及華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院姜曉兵教授。該研究得到國家自然科學基金原創探索計劃資助支援。
團隊簡介
臧劍鋒教授於2014年入選國家級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柔性超構材料理論，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, 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28項。主持國家重點研發計劃專案課題、國家自然科學基金原創探索計劃專案、國基金面上、湖北省揭榜掛帥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。
華中科技大學臧劍鋒教授及姜曉兵教授合作研究團隊
本課題組招聘博士後和研究助理，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！歡迎醫療器械方向的投資人聯絡我們洽談產業化合作開發。
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