Nature：用于顱內信號無線監測的注射式超聲傳感器

一、 【科學背景】??

? ? ? ?2023年5月9日，國家重點研發計劃“智能傳感器”專項“面向顱內多參數檢測的柔性顱內植入式多模態集成感知及調控技術研究”項目啟動暨實施方案論證會在北京召開。2024年4月3日，中國科學院空天信息創新研究院（空天院）牽頭承擔的國家重點研發計劃 “無線植入式顱內壓監測技術研究及樣機研制” 項目啟動暨實施方案專家論證會在北京召開。以此來實現多模式、多領域和多學科領域的技術交叉融合。截止到目前，已有公司完成全球首款無線顱內多參數監護系統，完成首例臨床入組。其中最重要的注射式超聲傳感器，是一種用于顱內信號無線監測的技術。注射式超聲傳感器是一種創新的技術，可以實現顱內信號的無線監測，為醫生提供更準確、及時的患者生理狀態信息，有助于提高顱內疾病的診斷和治療效果。華中科技大學姜曉兵和臧劍鋒、南洋理工大學陳曉東團隊，提出了一種可注射，生物可吸收和無線元結構水凝膠（元凝膠）傳感器超聲監測顱內信號，相關研究成果以 “Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals”為題目發表在國際頂級期刊Nature上。

二、【科學貢獻】

? ? ? ?在這項工作中，提出了一個新的研究范例—元凝膠超聲傳感。使用柔軟的聲學超材料，完全生物可吸收和微型化的亞結構水凝膠（超凝膠）。作為唯一的植入物，可以使用外部超聲探頭無線監測豐富的顱內生理信號（壓力、溫度、pH值和流速）。

圖1 可注射可生物降解超聲波傳感器的設計。? 2024 Nature

? ? ? ?用于檢測壓力變化的元凝膠基質是由聚乙烯醇/羧甲基殼聚糖（PVA/CMC）雙重網絡組成的堅韌且刺激惰性的水凝膠。外部壓力壓縮超凝膠內的空氣柱，導致超聲反射峰值頻率增加。摻入水凝膠基質中的刺激響應性組分使元凝膠具有感知其他信號的能力。PVA/聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PVA/ PNIPAM）雙網絡水凝膠被設計成感測溫度變化，并且PVA/殼聚糖（CS）雙網絡水凝膠被設計成檢測pH的變化。

圖2 用于監測多信號的超聲波傳感器的體外表征。? 2024 Nature

圖3 Metagel超聲傳感器在大鼠體內的傳感性能及生物相容性。? 2024 Nature

? ? ? ?為了進一步驗證元凝膠的實際應用潛力，使用豬模型在更接近臨床條件的情況下進行實時ICP測量。為了進行比較分析，使用了兩種常用的臨床ICP測量技術。

圖4 小型豬顱內壓無線監測。? 2024 Nature

三、【 創新點】?

? ? ? 1．使用柔軟的、完全生物可吸收和微型化的亞結構水凝膠（超凝膠）。作為唯一的植入物，可以使用外部超聲探頭無線監測豐富的顱內生理信號（壓力、溫度、pH值和流速），且后續該凝膠可自然降解。

2. 構建了用于腦組織模型內pH成像的pH元凝膠陣列。能夠通過無線監測各種身體部位的生理參數，提供疾病預防，預后指導以及結合用于完成特定檢測。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ?本研究提出了一種新的植入式無線傳感方法，該方法基于元凝膠變形誘導的超聲頻移機制，用于準確監測顱內信號，包括壓力、溫度、pH值和流速。與現有的無線植入式傳感器研究相比，元凝膠傳感器在植入物尺寸、去耦多信號和生物降解性方面具有優勢。該方法開啟了其他多種可能性：（1）元凝膠傳感器可以被注射到體內，避免了廣泛的外科手術的需要;（2）體內的大量信號可以使用手持或可穿戴超聲設備精確地、連續地和無線地監測;（3）在預期的監測持續時間之后，元凝膠自然地經歷降解，消除了手術提取的必要性。研究結果將促進安全緊湊的無線植入式傳感器的發展，并有可能取代包含經皮導線的臨床傳感器范例。此外，元凝膠也可以作為陣列注入目標區域，能夠顯示生理參數的空間分布。為了說明這一點，構建了用于腦組織模型內pH成像的pH元凝膠陣列。元凝膠傳感器的潛在應用包括無線監測各種身體部位的生理參數，提供疾病預防，預后指導以及結合用于特定檢測的響應組件的可能性。同時，這些成果將推動診斷和治療的整合以及積極的健康管理。

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