无线可注射超声传感器用于颅内信号监测

背景介绍

颅内生理状态的直接、精确监测对于损伤的划分、预后评估以及疾病的预防具有极其重要的意义。然而，传统的有线临床设备，如经皮导线，虽然在数据采集的准确性方面表现出色，但却存在感染风险、病人活动受限以及在移除过程中可能面临的手术并发症等问题。无线植入设备提供了更大的操作自由度，却在检测范围有限、降解性能差以及在人体内缩小尺寸方面存在诸多挑战。

论文来源

本文由来自华中科技大学、南洋理工大学、新加坡科学技术研究局及武汉同济医学院等多个研究所的研究人员联合撰写，发表在《Nature》期刊2024年6月6日的第630卷上。本文的主要作者包括Hanchuan Tang, Yueying Yang, Zhen Liu, Wenlong Li, Yipeng Zhang等。

研究内容

研究流程

研究团队提出并开发了一种新型的无线注射型生物可降解超材料水凝胶（metagel）传感器，用于超声监测颅内信号。该传感器设计为2×2×2 mm^3的立方体结构，包含可生物降解的刺激响应水凝胶和周期排列的空气柱，具有特定的声反射谱。这些传感器通过穿刺针可直接植入颅内，响应生理环境变化发生微形变，从而导致反射超声波的峰值频率偏移，利用外部超声探头对这些频率偏移进行无线测量。

实验步骤

1. 传感器设计与制造：

   • 传感器包含一个水凝胶基质和周期性空气柱，形成一种软性声子晶体，其声反射光谱可调。
   • 通过超声波发射并反射的频率偏移来监测颅内环境变化，包括压力、温度、pH值和流速。
   • 传感器置入后，水凝胶在生理环境中逐渐降解，实验表明其可完全降解在18周内。

2. 计算与仿真：

   • 使用有限元分析对水凝胶的带隙进行计算，模拟在不同压力和温度下，传感器的带隙和声反射频率的变化。

3. 体外和动物实验：

   • 首先在体外实验中验证压力、温度、pH和流速的测量范围和精度。
   • 具体测试了传感器在不同环境参数下的响应，包括调整设备和液体的温度、pH及压力等。

4. 生物兼容性与降解实验：

   • 在大鼠和猪模型中进行体内实验，通过显微摄影和影像扫描技术评估传感器的长期性能、稳定性、生物兼容性及降解状况。

主要结果

1. 体外实验数据分析：

   • 传感器显示在压力范围0-70 mmHg内具有0.1 mmHg的分辨率和5.7 kHz/mmHg的灵敏度。
   • 在28-43 °C的温度范围内，传感器具有0.1 °C的分辨率和约80 kHz/°C的灵敏度。
   • pH变化测试显示传感器在pH 8.0到2.0范围内，pH变化的敏感度为256.4 kHz/pH单位，可以检测到0.0012的小变化。

2. 动物实验数据分析：

   • 在大鼠和猪的体内实验中，传感器能够实时监测颅内压力和温度变化，并且在不同实验条件下与传统监测器如临床ICP传感器的测量数据一致。
   • 实验表明，传感器的精度和灵敏度优于现有的临床标准设备。

3. 长期稳定性和生物兼容性：

   • 传感器在施加到大鼠颅内后表现出与软组织兼容的形态，不导致明显的炎症反应。
   • 在测试期内（小于24天）表现出长期稳定性，各种组合参数的测量和结果解耦方法证明了良好的抗干扰性。
   • MRI影像显示传感器在脑内插入位置清晰，并不产生任何显著的伪影。

结论与意义

研究团队提出的metagel超声传感器提供了一种创新的、完全无线的多参数检测方案。相比现有的无线植入传感器，本文所述的传感器在尺寸、降解能力和多信号解耦方面具有显著优势，不需要额外的手术程序来取出传感器。这一研究结果有望推动安全和微型化的无线植入传感器的发展，替代现有的需要经皮导线的临床传感器体系，为疾病的精准预防、预后和健康管理提供新的技术手段。应用范围包括颅内压力、温度、pH值和流速的实时监测，以及未来在其他生理参数监测方面的扩展应用。