中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、唐瀚川副教授、尹周平教授、西南大學(xué)徐立群教授及合作者在植入式超凝膠超聲傳感器領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團隊開(kāi)發(fā)出一種基于水凝膠的超聲聲子晶體植入式傳感器（超凝膠超聲傳感器），為體內組織應變監測提供了一種柔軟、可降解、無(wú)需電池的無(wú)線(xiàn)監測方案。該研究成果以“An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains” 為題于近日在線(xiàn)發(fā)表于Nature Biomedical Engineering。
在當前臨床實(shí)踐中，實(shí)現對體內深層組織的連續監測仍是一項技術(shù)難題。傳統電子植入設備依賴(lài)金屬、芯片等剛性材料，容易引發(fā)炎癥反應，且多數不能降解、需二次手術(shù)取出。而本研究開(kāi)發(fā)的超凝膠應變傳感器，完全由柔軟的水凝膠材料構成，內部嵌有周期性空氣微孔結構，構建出聲子晶體單元，可在不依賴(lài)電池、不需要金屬元件的前提下實(shí)時(shí)感知組織的力學(xué)應變變化。通過(guò)外部超聲探頭發(fā)送和接收信號，超凝膠應變傳感器對組織產(chǎn)生的微小形變表現出高靈敏度的聲學(xué)響應。例如在肌腱拉伸、心跳、呼吸等生理活動(dòng)中，超凝膠應變傳感器能通過(guò)其“聲學(xué)帶隙”頻率變化，無(wú)線(xiàn)傳遞組織狀態(tài)信息，真正做到了“植入后忘記它的存在”。
針對從肌腱到心臟的精準監測，研究團隊在豬體內完成了一系列驗證實(shí)驗，涵蓋了肌腱拉伸、呼吸頻率、心跳節律以及皮膚傷口愈合等多種場(chǎng)景。結果顯示，超凝膠應變傳感器不僅能識別小至0.3%的組織應變，還能連續工作30天以上，其頻率響應可用于實(shí)時(shí)追蹤組織康復過(guò)程，比如判斷傷口是否裂開(kāi)、愈合是否順利等。值得一提的是，研究人員還將生長(cháng)因子加載于水凝膠中，實(shí)現了對不同愈合速度下的傷口愈合過(guò)程監測，為術(shù)后康復與藥效評估提供了精準反饋手段。該傳感器采用的PVA/CMC雙交聯(lián)水凝膠具備良好的生物相容性與可控降解性。在體內12周后基本降解完畢，且不會(huì )引起明顯的炎癥或免疫排斥反應。動(dòng)物實(shí)驗顯示，該材料在體內表現出極低的機械應激與組織損傷風(fēng)險，無(wú)需二次手術(shù)取出，大幅提升了患者的舒適度與安全性。
該研究突破了傳統電子植入器件“硬材質(zhì)、不可降解、有源供電”的三大限制，為未來(lái)構建柔性、智能、自適應的下一代醫療器件提供了重要路徑。結合穿戴式超聲平臺后，超凝膠超聲應變傳感器有望實(shí)現動(dòng)態(tài)、長(cháng)期、居家化的組織監測，在運動(dòng)康復、心血管健康管理、術(shù)后愈合評估等場(chǎng)景中具有重要應用前景和價(jià)值。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41551-025-01374-z
