为各位读者带来最新发表于《Nature》期刊上的一篇科学论文的详细介绍。这篇文章标题为“Injectable Ultrasonic Sensor for Wireless Monitoring of Intracranial Signals”，由Hanchuan Tang、Yueying Yang、Zhen Liu、Wenlong Li、Yipeng Zhang、Yizhou Huang、Tianyu Kang等人合作完成。

本文首先介绍了传统有线临床仪器在监测颅内生理信号时虽然准确但容易受到感染、患者活动限制和手术并发症等问题的困扰。无线植入设备尽管操作自由度更高，但也存在检测范围有限、降解性差以及在人体内难以缩减体积等难题。为解决这些问题，研究团队开发了一种可注射、可生物降解和无线的元结构水凝胶（metagel）传感器，用于超声监测颅内信号。Metagel传感器的尺寸为2×2×2毫米³，通过穿刺针植入颅内空间，可以响应生理环境变化而变形，从而导致反射超声波的峰频率发生偏移，这些变化可以通过外部超声探头无线测量。该传感器可以独立检测颅内压力、温度、pH值和流速，检测深度可达10厘米，并可以在18周内几乎完全降解。

接下来，文章详细介绍了metagel传感器的设计。传感器包括可降解和刺激响应的水凝胶和周期性排列的空气柱，形成了一种具有特定声反射谱的软声子晶体。该结构赋予了metagel异常卓越的声反射特性。当超声波发射到metagel时，metagel会在某个峰频率反射该波。颅内环境变化会引起metagel的微变形，从而改变反射波的峰频率。这种形变可以通过跟踪反射超声波的峰频偏移来追踪环境的变化。

Metagel的带隙结构由晶格常数和填充比决定，形变会引起带隙变化。通过有限元仿真可表明，原始形态的metagel反射的峰频率约为9.13 MHz，而当发生形变时，反射波的峰频率会偏移至9.76 MHz。

随后，文章探讨了metagel传感器的超声特性。基础介质为一层坚韧且化学稳定的PVA/CMC双网络水凝胶，用于测量压力。额外的刺激响应成分赋予了metagel感应其他信号的功能，例如PVA/PNIPAM双网络水凝胶用于检测温度变化，而PVA/壳聚糖双网络水凝胶用于感应pH变化。通过体外试验，metagel在温度、压力、pH和流速监测方面的有效性得到了验证。研究显示，metagel在测量压力、温度和pH的分辨率及灵敏度上都有显著提高。

此外，文章还讨论了用于不同信号解耦的多模块metagel系统，并探讨了其在不同环境因素（如压力和温度、压力和pH）的综合影响。

动物实验方面，研究团队在大鼠模型中验证了metagel的生物相容性、功能稳定性和降解性。将metagel植入大鼠脑部，并与临床使用的有线ICP探头（光纤压力传感器）进行对比，结果显示metagel能够有效跟踪压力变化，并且在时间精度和压力分辨率上优于传统探头。同时，metagel在温度测量上也表现出很高的准确性和稳定性。

最后，在小型猪模型中，研究进一步验证了metagel的无线压力监测功能。通过穿刺针将metagel植入猪脑部，与临床使用的ICP探头并行植入进行对比，结果显示metagel能够准确捕捉注射和抽取生理盐水导致的颅内压变化，并且其测量的时间分辨率和精度优于传统探头。更为显著的是，metagel还成功捕捉到了呼吸模式引起的颅内压微小波动，而这在商业压力计的确认下得到了进一步验证。

总结来说，本文介绍了一种基于metagel形变引起的超声频移机制的全新的无创感测方法，能够精确监测颅内压力、温度、pH和流速。与现有无线植入传感器相比，metagel在植入体积、信号解耦、多功能性和生物降解性方面具有显著优势，为未来的无线植入传感器技术开辟了新的可能性，并有望替代现有的临床传感器模式。

该研究成果的实现将推动安全、紧凑的无线植入式传感器的发展，对疾病预防、临床监测和健康管理具有重要意义。