《Nature》华科大臧剑锋/姜晓兵，南洋理工陈晓东：面向颅内生理监测的可注射超声传感器

6月5日，华中科技大学集成电路学院、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授团队合作开发了一种创新性的可注射超凝胶超声传感器。该研究成果以“Injectable ultrasonic sensor for wirelessmonitoring of intracranial signals”为题发表在《Nature》上。文章第一作者为华中科技大学集成电路学院博士后唐瀚川、博士生杨月莹，华中科技大学附属协和医院博士生刘祯；通讯作者为臧剑锋教授、新加坡南洋理工大学陈晓东教授、附属协和医院姜晓兵教授。华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。

生理参数是衡量人体生理状态的指标，可以帮助医生进行疾病诊断、治疗和检测。如何安全、稳定获取人体内部精确的生理参数一直是医学监测领域的重点。目前,临床获取颅内压力、温度等数据的主要途径是将有线且不可降解的电子探针经手术方式植入体内。为了获取准确的数据，细长、坚硬的探针往往需要深入体内几厘米到十几厘米。这种探针无法自行降解需再次手术取出，不但给患者带来植入及去除的多次痛苦，还存在感染等并发症风险。

图1. 可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理。(a)基于超声反射的超凝胶无线颅内生理传感器示意图。(b)超凝胶样品及穿刺针照片，比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片，比例尺500微米。(d)照片显示超凝胶浸泡在wen37度的PBS溶液中一个月后开始降解。(e)超凝胶工作原理示意图。(f)变形导致超凝胶反射峰值频率偏移示意图。(g)超凝胶能带结构图。(h, i)带隙中心频率随晶格常数(h)及占空比(i)变化曲线图。(j, k)超凝胶变形前后声场（仿真）分布。

图2. 超凝胶超声传感器体外测试表征。(a)温度及pH响应超凝胶示意图。(b)超凝胶及纯水凝胶照片（顶部）与超声图像（底部），比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片，比例尺500微米。(c, d)超凝胶与纯水凝胶超声反射信号时域对比(c)与频域对比(d)。(e)压力超凝胶与商用压差计压力测试对比。(f)压力超凝胶校准曲线。(g) 温度超凝胶与商用温度计温度测试对比。(h) 温度超凝胶校准曲线。(i) pH超凝胶与商用温度计温度测试对比。(j) pH超凝胶校准曲线。(k) 压力超凝胶反映临近血管模型内流速。

图3. 活体大鼠传感实验及生物相容性表征。(a)实验装置配置照片。(b)超凝胶植入在大鼠颅内的磁共振图像，比例尺2 mm。(c)大鼠佩戴外部超声探头照片。(d)超凝胶与临床有线颅内压探头测试大鼠颅内压力变化曲线。(e, f) 超凝胶与商用有线温度探头测试大鼠颅内温度变化曲线。(g)超凝胶24天内多次监测大鼠颅内压变化。(h) H&E染色脑组织切片照片显示超凝胶降解过程。(i) 免疫荧光染色照片显示超凝胶存续期间炎症情况。

图4. 实验猪无线颅内压原位监测。(a)实验方案配置示意图。(b)超凝胶及临床有线颅内压探头植入后猪头部照片。(c) 猪腰椎穿刺位置照片。(d)超声图像照片显示超凝胶植入猪颅内位置。(e) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随腰椎注射生理盐水变化曲线。(f)体积测试管液面高度照片显示猪颅内压随呼吸起伏。(h) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随呼吸变化曲线。临床颅内压探头难以测量微小颅内压变化。

该可注射超凝胶超声传感器采用先进的声学超材料技术，大小只有2×2×2mm3，就像芝麻那么大。它体积微小，可被安全注射进入人体内部，通过外部超声探头就可以无线监测颅内压力、温度、pH等生理参数变化。值得一提的是，这种全新的传感器所采用的均为生物可降解聚合物材料，约1个月后就会在体内自行降解，无需再次开刀取出，不但减轻了患者痛苦更极大降低了感染风险。

这种微型传感器的核心在于其独特的内部结构设计。研究人员在可降解水凝胶基质内部人工构筑了具有周期性排列的空气孔道结构。当外部环境如压力、温度、pH值等发生变化时，凝胶内部会产生微小形变，从而引起反射声波频率发生可测量的偏移。精确检测这种频率变化，即可获取颅内压力、温度、pH值以及血流流速等多种生理参数。他们还提出了一种创新算法，通过同步分析多个传感器的频率变化数据，可高效分离压力、温度、pH值等多种因素的耦合影响，从而实现对复杂生理环境的全面感知。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07334-y

来源：华中科技大学、化学与材料科学