清華大學Science：實現深層組織內穩態實時監測！

一、【導讀】

內穩態失衡是疾病發生的核心特征。因此，在外部可觀察到的癥狀出現之前，監測相關解剖部位的穩態提供了對早期診斷至關重要的基本生理和病理信息。研究表明，生物電子設備實現了連續、無創地監測與穩態相關的參數變化，包括血壓和流量、溫度、細胞外液pH、血糖、組織血氧測定和腦間質液。然而生物組織中的衰減將這些機制的使用限制在淺層，有時高達厘米級，但不足以監測深層組織。術后胃腸道泄漏如果診斷得太晚，大概率可能會在手術后3至7天發生致命傷害。這種并發癥需要持續監測，但早期發現仍然是巨大的挑戰。

二、【成果掠影】

基于以上難題，清華大學王禾翎副研究員聯合美國西北大學John A. Rogers院士、華盛頓大學Chet W. Hammill教授，報道了一種可生物吸收的形狀自適應材料結構（BioSUMs），該結構能夠使用傳統超聲儀器實現了對機體深部組織內穩態參數的實時動態且無創的監測。該類器件基于形狀自適應的結構，當體內穩態擾動引起自適應基質發生形變時，器件內的金屬點陣排列隨之發生變化，并最終通過超聲成像準確定量的讀取。研究人員利用該類器件監測術后吻合口附近pH值的變化，成功實現了對小型和大型動物模型中的演示說明了監測小腸、胃和胰腺滲漏的精準、及時監測，以便進行早期干預。該論文以題為“Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis”發表在知名期刊Science上。

三、【數據概覽】

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圖1 ?BioSUMs用于深層組織穩態的實時監測 ? 2024 AAAS

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圖2 ?形狀適應性材料結構的pH響應行為 ? 2024 AAAS

圖3 ?深層組織超聲成像 ? 2024 AAAS

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圖4? 大鼠胃腸系統pH穩態的縱向監測 ? 2024 AAAS

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圖5? 豬模型胃腸道滲漏的深層組織檢測 ? 2024 AAAS

四、【成果啟示】

綜上，研究人員引入了生物可吸收的形狀自適應結構，通過傳統的超聲成像技術，可以快速、無創地測量深層組織的穩態。穩態擾動引起的響應性水凝膠基質薄膜的膨脹導致作為指示劑的生物可吸收金屬元素的稀疏集合之間的分離發生變化，這些元素的位置可以通過超聲準確確定。這些元件的聲阻抗與周圍材料之間的大失配在超聲圖像中產生高對比度，從而允許精確測量它們的分離，從而允許在淺或深位置中測量周圍組織的局部物理或化學特性。設想的臨床場景是通過胃腸道手術后恢復期pH值的變化實時檢測吻合口，以便進行早期干預。這些設備可以存活相關的時間段，然后自然生物吸收，無需進行二次手術提取。這一概念在小型和大型動物身上的體內演示驗證了專門用于胃、小腸和胰腺滲漏的材料設計，為內穩態失衡的及時臨床干預與調控奠定了基礎。

文獻鏈接： Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis (Science 2024, 383, 1096-1103)

本文由大兵哥供稿。