特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
直接和精確地監測顱內生理狀況對于描述損傷、預測和預防疾病具有重要意義。使用經皮導線的有線臨床儀器雖然準確，但容易受到感染、患者活動受限以及在移除過程中可能出現的手術并發癥。無線植入式設備提供了更大的操作自由度，為顱內檢測提供了一種有前途的解決方案。
然而，無線植入式設備仍存在以下問題：
1、無線植入式傳感器存在的幾個相互關聯的挑戰
目前無線植入式傳感器存在的幾個挑戰阻礙了臨床應用，包括植入物尺寸、通信范圍和穩定性、生物相容性和可吸收性以及多模態傳感和解耦。盡管付出了大量努力，但仍存在檢測范圍有限、降解不良和在人體內難以縮小尺寸等問題。
2、軟聲學超材料為無線植入式傳感器提供了可能
軟聲學超材料具有非凡的聲學特性，無需添加電子元件即可實現長距離無線傳感和通信，以水凝膠為基材和可穿戴超聲波設備作為無線讀取器的軟聲學超材料可以解決無線植入式傳感器帶來的全面挑戰。
有鑒于此，華中科技大學臧劍鋒、附屬醫院姜曉兵及南洋理工大學陳曉東等人介紹了一種可注射、可生物吸收和無線超結構水凝膠 (metagel) 傳感器，可用于超聲監測顱內信號。metagel傳感器是2×2×2?mm3大小的立方體，包含可生物降解和刺激響應的水凝膠以及具有特定聲反射頻譜的周期性排列的氣柱。用穿刺針植入顱內后，metagel會響應生理環境變化而變形，導致反射超聲波的峰值頻率偏移，可以通過外部超聲探頭進行無線測量。Metagel傳感器可獨立檢測顱內壓、溫度、pH 值和流速，實現10厘米的檢測深度，并在 18 周內幾乎完全降解。在大鼠和豬身上進行的動物實驗表明，其多參數傳感性能與傳統的不可吸收有線臨床基準相當。
技術方案：
1、闡述了Metagel凝膠超聲波傳感器的設計
作者闡述了Metagel的結構設計，證實了其出色的聲學反射性能，通過計算解析了Metagel設計如何影響超聲反射性。
2、解析了超聲波傳感器的特性
作者解析了超聲傳感器的特性，證實了metagel可將回聲提高50倍，具有較高的分辨率和靈敏度。
3、在大鼠和豬體內的傳感性能測試真是了metagel的實用性
作者分別使用大鼠模型和豬模型評估了metagel體內傳感性能，證實了metegel的實用性、準確性、穩定性及可降解性。
技術優勢：
1、開發了可用于顱內生理信號檢測的metagel超聲傳感器
作者提出了一種用于 metagel 超聲傳感的新范例，使用軟聲學超材料，完全可生物吸收和微型化的超結構水凝膠 (metagel) 作為唯一的植入物，可以使用外部超聲波探頭無線監測豐富的顱內生理信號 (壓力、溫度、pH 值和流速)。
2、metagel傳感器克服了無線植入式傳感器面臨的挑戰
本工作開發的metagel為2×2×2?mm3立方體，可使用傳統穿刺針輕松插入體內，可以實現10cm的監測深度。在預期的監測期后，metagel在4個月內自然降解為37°C的PBS溶液。
技術細節
Metagel凝膠超聲波傳感器的設計
Metagel根據環境引起的微變形來感知顱內環境。它包括水凝膠基質和周期性空氣柱，形成具有可調聲反射光譜的軟聲子晶體，這種結構設計賦予Metagel出色的聲學反射性能。通過對水凝膠基質進行刺激響應功能化（壓力、溫度、pH 響應等），Metagel可以通過追蹤反射超聲波的峰值頻率偏移來跟蹤環境變化。為了了解Metagel設計如何影響超聲反射性，作者計算了它的能帶結構，結果表明元凝膠的帶隙取決于a和填充比FR = d/a），導致a和FR變化的Metagel變形表現出帶隙變化。
圖 可注射和可生物降解的金屬凝膠超聲波傳感器的設計
超聲波傳感器的特性
用于檢測壓力變化的微凝膠基質是一種堅韌且對刺激惰性的水凝膠，由聚乙烯醇/羧甲基殼聚糖 (PVA/CMC) 雙網絡組成，PVA/聚（N-異丙基丙烯酰胺） (PVA/PNIPAM) 雙網絡水凝膠被設計用于感知溫度變化，PVA/殼聚糖 (CS) 雙網絡水凝膠被設計用于檢測 pH 值的變化。作者展示了超聲成像下的微凝膠和純水凝膠的形狀，微凝膠顯示清晰的信號。與純水凝膠相比，來自metagel的回聲增強了50倍。基于metagel 超聲波傳感系統，可以監測多個信號，作者進行了體外實驗以測量壓力、溫度、pH 值和流速。具體而言，評估了壓力 metagel可有效測量 0-70 mmHg 范圍內的壓力變化，分辨率為 0.1 mmHg，靈敏度為 5.7 kHz mmHg-1。metgel 超聲波傳感系統還顯示出較長的通信距離和減少的熱量產生，作者還分析了超聲系統配置和獲取的原始時域數據的處理對結果的影響，并從檢測限、感應范圍和時間分辨率方面討論了 metagel 超聲傳感性能。
圖 用于監測多種信號的Metagel超聲波傳感器的體外表征
動物體內傳感
首先使用大鼠模型評估了體內傳感性能，代表性磁共振成像 (MRI) 顯示了植入的 metagel 在活體大鼠顱骨內的位置，證實可以使用 MRI 清晰地可視化而不會產生任何偽影。在植入后24天內進行的四次顱內壓取樣，metagel 的顱內測量結果與臨床 ICP 的顱內測量結果非常接近，表明前者能夠在 24 天內保持顱內穩定性。此外，metagel 的形態和位置在約 3-4 周內保持穩定，隨后 5 周后 metagel 微結構出現明顯降解，植入 metagel 1 個月后，大鼠表現出不受阻礙的活動能力，并表現出明顯的探索傾向。為了進一步驗證 metagel 的實際應用潛力，使用豬模型在更接近臨床條件的場景中進行了實時 ICP 測量。結果表明，微凝膠準確捕捉顱內壓變化，在時間分辨率和測量精度方面超過臨床 ICP 探頭。
圖 Metagel超聲波傳感器在大鼠模型中的體內傳感性能和生物相容性
圖 活體小型豬的無線顱內壓監測
總之，作者基于由元凝膠變形引起的超聲頻移機制，提出了一種新的可植入無線傳感方法，可精確監測顱內信號，包括壓力、溫度、pH 值和流速。與現有的無線可植入傳感器研究相比，元凝膠傳感器在植入物尺寸、解耦的多個信號和生物降解性方面具有優勢：（1）元凝膠傳感器可以注入體內，無需進行大手術；（2）可以使用手持式或可穿戴式超聲設備精確、連續和無線地監測體內的多種信號；（3）在預期的監測時間之后，元凝膠會自然降解，無需手術取出。該研究結果將促進安全緊湊的無線可植入傳感器的發展，并有可能取代采用經皮導線的臨床傳感器范式。
參考文獻：
Tang, H., Yang, Y., Liu, Z. et al. Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals. Nature 630, 84–90 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y
