Nature：新型无线植入式传感器，通过超声波监测颅内生理信号

公众号新闻

2024-07-01 04:07

Bringing medical advances from the lab to the clinic

关键词：植入式超声传感器；无线监测；颅内信号；生物可降解水凝胶；Nature

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在现代医学中，对颅内生理状态的实时监测对于诊断脑部疾病、评估损伤严重程度、预测疾病发展及指导治疗决策至关重要。颅内压、温度、pH值和血流速度等生理参数的异常往往与多种脑部疾病相关，如脑损伤、脑肿瘤、颅内出血等。然而，传统的有线监测手段存在诸多局限性，包括但不限于感染风险、患者活动受限、手术移除并发症等。此外，这些方法在监测深度、范围和稳定性上也存在不足。

无线植入式传感器作为有线监测手段的替代方案，虽然在一定程度上解决了上述问题，但它们仍面临着尺寸、生物兼容性、生物可吸收性、多模态传感和信号解耦等挑战。特别是，颅内植入设备的优化尺寸对于通过微创穿刺针注射至脑部至关重要。此外，完全生物可降解的植入物可以避免额外的手术移除过程，而通信距离与身体内部信号可检测的深度（例如，硬膜下或脑室）直接相关。

为了克服现有技术的局限性，并充分利用无线植入式传感器的优势，研究者们一直在探索新型的监测技术。软体声学超材料因其在长距离无线传感和通信方面的卓越声学特性而显示出巨大的潜力，这些特性无需额外的电子元件即可实现。将软体声学超材料与水凝胶基质结合，并使用可穿戴超声设备作为无线读数器，可能为无线植入式传感器面临的全面挑战提供解决方案。

2024年6月5日，华中科技大学臧剑锋、新加坡南洋理工大学陈晓东、华中科技大学同济医学院附属协和医院姜晓兵等研究学者在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为 Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals 的研究论文【1】。本研究提出的可注射、生物可吸收、无线的元结构水凝胶（Metagel）传感器，正是基于上述理念，旨在通过超声监测技术，实现对颅内信号的精确、实时、无线监测，为临床提供一种新的监测手段，以期改善患者治疗过程，提高疾病管理的效率和安全性。

研究成功开发出的Metagel传感器，是一种2×2×2毫米的立方体无线超声监测设备，内部结合了生物可降解和刺激响应性水凝胶与具有特定声学特性的周期性气柱。通过微创穿刺针植入颅内后，它能敏感地根据颅内环境变化形变，引起反射超声波频率的精确偏移，这些变化可通过外部超声探头无线检测。该传感器能够独立且精确地监测颅内压力、温度、pH值和流速等关键生理指标，检测深度达10厘米，并在18周内安全降解，避免了传统设备需要的二次手术移除。在动物模型中，Metagel传感器展现出与有线设备相媲美的监测性能，为颅内生理监测提供了一种全新的、安全有效的解决方案。

（如需原文，请加微信healsana获取，备注20240605Nature）

研究设计

🔷 Metagel传感器设计与制造：

通过三维打印技术制作模具，倒入预凝胶溶液，经过冷冻-解冻循环，形成具有周期性空气通道的metagel。该传感器包含刺激响应性水凝胶，能够根据环境变化发生微变形。

🔷 体外实验：

模拟环境构建：使用COMSOL Multiphysics软件进行有限元分析，模拟metagel在不同环境条件下的变形和超声波传播。
超声波反射测试：通过测量反射回来的超声波的频率变化来评估metagel对压力、温度、pH和流速等环境变化的响应。
体外细胞生长实验：评估metagel对细胞生长的影响，使用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）进行活/死染色实验。
细胞相容性评估：将metagel传感器与不同类型的细胞共培养，通过活/死染色和细胞增殖实验评估其对细胞生长和活性的影响。

🔷 体内实验：

动物模型建立：在大鼠和猪模型中，通过微创手术将metagel植入颅内特定位置，并使用MRI确认植入位置和形态。
体内超声监测：使用外部超声探头监测植入的metagel传感器，实时跟踪颅内压力、温度、pH和流速等生理参数的变化。
免疫反应评估：对动物模型的组织切片进行免疫荧光染色，评估metagel植入后的组织反应和免疫细胞活动。
生物降解性观察：定期通过影像学检查和组织学评估，观察metagel传感器在体内的降解过程和最终的生物降解情况。
长期监测：对动物进行长期跟踪，记录metagel传感器的功能状态和动物的健康状况，评估传感器的长期稳定性和生物兼容性。

研究设计

🔷 体外实验结果

Metagel传感器的生物兼容性：在体外细胞培养实验中，metagel传感器显示出良好的生物兼容性，未对共培养的细胞产生毒性。
超声反射特性：Metagel传感器在体外实验中表现出了明显的超声反射特性，其反射的超声波频率随环境变化（如压力、温度、pH）而发生可预测的变化。

🔷 体内实验结果：

植入与稳定性：在大鼠和猪模型中，metagel传感器能够通过微创手术成功植入颅内，并且在MRI成像中显示出良好的位置稳定性和无明显移位。
实时生理监测：Metagel传感器在动物模型中成功实现了实时监测颅内压力、温度、pH和流速等生理参数，与临床使用的有线传感器相比，展现了相似甚至更优的性能。
生物降解性：在动物模型中，metagel传感器在植入后的18周内显示出逐渐降解的趋势，没有引起长期的组织反应或炎症。
免疫反应：通过免疫荧光染色评估，metagel传感器在植入部位未引起显著的免疫反应，表明其具有良好的生物相容性。
长期监测能力：在长达数周的监测周期内，metagel传感器保持了稳定的监测能力，没有出现性能下降或数据漂移。
多参数传感性能：Metagel传感器能够同时监测多个生理参数，并且能够区分不同参数对传感器的影响，显示出良好的多参数传感性能。
抗疲劳性能：在进行超过2600个压力周期的疲劳测试中，metagel传感器显示出优异的稳定性和耐用性。

综合实验结果表明，metagel传感器具有成为临床监测工具的潜力，特别是在需要长期、无线监测的医疗场景中。

图1. 可注射和可生物降解的Metagel超声传感器设计

图2. Metagel超声传感器用于监测多种信号的体外实验结果

图3. Metagel超声传感器在大鼠模型中的体内传感性能和生物相容性

图4. 活体迷你猪的无线 ICP 监测

编者按：

临床意义：

本文提出的Metagel超声传感器在临床意义上具有革命性的影响，它提供了一种全新的无线监测手段，能够在无需手术移除的情况下，长期精确地监测颅内等关键生理参数。这种传感器的生物可降解性减少了患者感染的风险，同时避免了因设备移除而必需的二次手术，显著提高了患者的安全性和舒适性。此外，Metagel传感器的实时监测能力有助于医生更准确地评估病情、预测疾病发展并及时调整治疗方案，特别是在神经重症监护和脑损伤管理中具有重要的应用价值。

科研启发：

Metagel传感器的成功研发激发了在生物医学工程、材料科学和临床医学领域进一步探索创新的动力。它推动了对软体声学超材料和生物可降解材料的深入研究，为开发更多种类的生物兼容和生物可吸收的医疗设备提供了新思路。此外，Metagel传感器的多参数监测能力为未来集成化、多功能化的医疗监测系统的设计和实现奠定了基础。科研人员可以基于这一技术平台，开发出更多适应不同临床需求的传感器，进一步拓展其在疾病预防、诊断和治疗中的应用范围。

期待更多类似高质量研究，给患者带来更优的临床诊疗策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

声明：

本文只是分享和解读公开的研究论文及其发现，以作科学文献记录和科研启发用；并不代表作者或本公众号的观点，更不代表本公众号认可研究结果或文章。

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作者：Amber Wang；助理：ChatGPT

编辑：Jessica，微信号：Healsanq，加好友请注明理由。

作者简介：美国Healsan Consulting(恒祥咨询)，专长于Healsan医学大数据分析、及基于大数据的Hanson临床科研支持。主要为医院科研处、生物制药公司和医生科学家提供分析和报告，成为诸多机构的“临床科研外挂”。

网址：https://healsan.com/

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