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▲最新研究视频解读（视频来源：研究团队提供）
坚硬的颅骨为我们重要而脆弱的大脑筑起防线，与此同时，颅骨的存在也给了解大脑内部增添了难度。为了监测颅内压力等生理参数，临床上常用的有线传感器需要通过手术植入，因此存在感染、术后并发症的风险，患者的行动也受到限制。
无线电子传感器的出现为上述问题提供了潜在的应对方案，不过现阶段的无线传感器仍有多项挑战需要解决。首先是体积太大了：要通过微创手术植入，传感器的横截面积需要在4 mm 2 以内，但目前的面积常常超过了1 cm 2 。此外，传感器的探测范围有限、无法生物降解因而需要通过手术取出，这些问题都限制了无线传感器的应用。
现在，最新一期《自然》杂志刊登了华中科技大学臧剑锋教授团队、姜晓兵教授团队以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队的最新突破。联合研究团队设计了一款“超声超构凝胶”无线传感器。其不仅实现了微创注射，并且能同时监测颅内压力、温度、pH值与流速等参数，在使用后可自行安全降解。在动物实验中，新型传感器展现出了强大的检测精度与安全性。研究团队表示，这项突破未来将大幅提高就诊便利性，推动智能医疗健康的发展。
这套传感系统是如何工作的？简单来说，装置包含了植入脑组织的超凝胶传感器，以及固定在患者皮肤表面的可穿戴超声波探头这两部分。其中，探头的任务有两项：发射超声波信号，再接收由传感器反射回来的信号。而需要深入脑部的超凝胶传感器，则是这项研究的设计重点。
前面说到，现有无线传感器的一项痛点是体积太大。相比之下，此次设计的传感器仅仅是一个边长2 mm的立方体，因此可以通过微创穿刺针植入大脑。如下图所示，超凝胶传感器由水凝胶包裹，内部则是周期性排列的空气孔道。这种结构在特定的频段形成声学带隙，可以大量反射频率落在带隙内的超声波。因此，最终探头接收到的超声波信号存在一个易于区分的峰值频率。
正常情况下，这个峰值频率是固定不变的。但是，一旦传感器的水凝胶或是空气孔道出现微观的结构变形，传感器反射的峰值频率也会发生偏移。而研究团队要做的，就是设计几款超凝胶材料，让它们分别在压力变化、温度变化以及pH值变化的情况下灵敏地产生形变。这样，就可以从监测到的峰值频率中，读出这些生理参数的变化。
▲可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理示意。当传感器变形，其反射的峰值频率出现偏移。（图片来源：参考资料[1]）
臧剑锋教授表示，在克服了水凝胶软材料微结构制造难题，并解决了基于超凝胶超声传感器的信号处理、算法等传感机制设计原理后， 研究团队设计了3种功能性超凝胶传感器用于检测不同参数：
压力凝胶的基质采用力学性能优异的双交联聚乙烯醇/羧甲基纤维素凝胶，压力增加时空气孔道受压缩而发生形变；
温度凝胶由温敏性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺凝胶构成，在28-43℃的监测范围内，温度上升时水凝胶会收缩；
pH凝胶则利用质子化聚乙烯醇/壳聚糖凝胶，可检测pH 2-8的范围，pH值下降时水凝胶向外膨胀。
其中，压力凝胶除了精准监测颅内压力，还有额外的作用：当凝胶周围脑血管中的血液流过时，血液的搏动也会向凝胶施加压力、引起形变，因此接收到的信号还可以反映出流速。
在实际使用时，3款超凝胶传感器会被依次植入。为了区分这些不同的信号，超声波探头有着强大的空间分辨率，可以区分来自最小间隔1 mm的两块凝胶的信号。结合先进算法，传感器可高效分离不同参数的耦合影响，实现对复杂生理环境的全面监测。
▲压力、温度与pH变化时，相应超凝胶传感器的变形示意图。（图片来源：参考资料[2]）
除了灵敏度，系统还展现出较长的通信距离，与超声波探头之间的通信距离可以超过10 cm，从而更深入地监测脑组织；此外，系统产热量极低，避免了设备升温造成的安全问题。
接下来，在通过体外细胞培养检验了材料的生物相容性之后，研究团队首先利用大鼠模型评估了传感器的性能。他们利用微创注射将超凝胶传感器送入大鼠颅骨下方5毫米处，同时植入了目前临床使用的有线传感器进行对比。在检测颅内压变化时，新型传感系统展现出媲美商用有线临床设备的检测精度。
此外，传感器的生物降解性也得到了检验。超凝胶形态和位置在3~4周内保持稳定，随后在第5周左右开始大幅降解、4个月后被完全降解，降解过程中大鼠没有出现血液系统疾病与全身免疫反应。
随后，为了进一步检验应用潜力，研究团队使用更接近临床场景的实验猪进行实时的颅内压测定。结果表明，超凝胶准确捕捉了颅内压变化，时间分辨率和测量精度超过了临床探头。在实验猪体内，超凝胶传感器甚至能监测到微小呼吸引起的颅内压力细微波动，这是有线传感器无法做到的。
▲实验猪无线颅内压原位监测示意图。超凝胶传感器能够监测到微小呼吸引起的颅内压力细微波动。（图片来源：参考资料[1]）
综上，这项全新技术在多个方面展现出优势：可以注射到体内，无需进行大型手术；可以使用手持式或可穿戴式超声波设备精确、连续、无线地监测体内的多种信号；在预期的监测时间之后，凝胶会自然降解，无需手术取出。
对于未来的应用前景，臧剑锋教授介绍道：“根据我们的超声传感机制，结合相应的材料设计，可以设计相应的生理参数。我们的超声传感也可以应用到脑以外的其他地方，结合具体的应用场景，服务医疗需求。”
论文第一作者为华中科技大学集成电路学院博士后唐瀚川、博士生杨月莹以及华中科技大学同济医学院附属协和医院博士生刘祯。论文通讯作者为华中科技大学集成电路学院学院、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授，新加坡南洋理工大学陈晓东教授以及华中科技大学同济医学院附属协和医院姜晓兵教授。
团队简介：
臧剑锋教授于2014年入选国家级人才计划并加入华中科技大学，其专注于医工交叉的基于智能软材料的创新医疗器械研究，研究方向包括柔性电子、植入式器件与磁医用机器人。 近年来，取得了一系列代表性的科研成果，提出了面向医疗健康应用的柔性超构材料理论，提出了自然聆听仿生耳蜗设计原理，开发了血管内机器人化栓塞技术。 获湖北省自然科学奖二等奖、国际先进材料学会2023年度科学家奖章，英国皇家化学会会士FRSC，发表Nature， Nature Materials， Science Robotics， Science Advances， Nature Communications（3篇）等90多篇论文，申请发明专利40余项，授权发明专利28项。 主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金原创探索计划项目、国基金面上、湖北省揭榜挂帅项目等国家或重点企业项目10余项。 担任中国工程院院刊Engineering青年编委、柔性电子ISFSE 2017/2018、软体机器人SoRo 2019/2020等国际国内会议共同执行主席，受邀国际国内学术会议邀请报告40余次。
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封面图来源：123RF
参考资料:
[1] Tang et al., Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y
[2] Jules J. Magda. Brain fl uid probed using squishy cubes. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/d41586-024-01423-8
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