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华中科技大学、南洋理工大学:可注射超声传感器用于颅内生理信号监测

更新时间:2024-06-18      点击次数:149


当前,临床上监测颅内压等关键生理指标的技术,通常需要通过外科手术将有线传感器植入患者颅内。这种方法存在一定风险,如术后感染和并发症等。尽管现有的无线电子传感器能够在一定程度上降低这些风险,但由于它们的体积较大(例如,传统电子元件的截面积往往超过1平方厘米),因此不适合通过微创注射方式植入。此外,由于无线电子传感器不能在体内自然降解,患者还需要进行二次手术来移除它们。因此,在临床实践中,这些无线传感器也面临着许多挑战。



华中科技大学臧剑锋教授、姜晓兵教授以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队携手合作,研发出一种创新型可注射超声凝胶传感器。该传感器有望克服传统有线传感器存在的感染风险和术后并发症等问题,同时避免现有无线电子传感器体积过大、无法体内降解等临床应用挑战。相关研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"为题在线发表于《Nature》杂志。

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传感器结构与制备:这种名为"超声超凝胶"的传感器是由双网络交联的水凝胶基质和内部周期性排列的空气孔道组成,体积仅为2×2×2mm³这种可注射传感器是研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术(nanoArch® S140,精度:10 μm)加工模具后,经水凝胶翻模制备而成。经过计算机模拟结构优化,该特殊结构在8-10MHz频段具有声学带隙,对入射超声波有很强的反射能力。

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图1. 可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理。(a)基于超声反射的超凝胶无线颅内生理传感器示意图。(b)超凝胶样品及穿刺针照片,比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片,比例尺500 μm。(d)照片显示超凝胶浸泡在37度的PBS溶液中一个月后开始降解。(e)超凝胶工作原理示意图。(f)变形导致超凝胶反射峰值频率偏移示意图。(g)超凝胶能带结构图。(h, i)带隙中心频率随晶格常数(h)及占空比(i)变化曲线图。(j, k)超凝胶变形前后声场(仿真)分布。

多功能凝胶传感器:研究团队设计了三种功能凝胶传感器用于检测不同参数。压力凝胶采用双交联聚乙烯醇/羧甲基纤维素凝胶,灵敏度可达5.7 kHz/mmHg,分辨率0.1 mmHg;温度凝胶由温敏性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺凝胶构成,温度检测范围28-43℃,分辨率0.1℃,灵敏度80kHz/℃;pH凝胶则利用质子化聚乙烯醇/壳聚糖凝胶,可检测pH 2-8的范围,分辨率0.5 pH单位,灵敏度256 kHz/pH单位。这些凝胶均采用生物相容性且可降解材料制成,注射入体约1个月后可自然降解,无需再次开颅取出

同步读取与算法:研究团队提出了同步读取多个凝胶传感器的新方法。通过检测各个凝胶的反射频率变化,结合先进算法,可高效分离压力、温度、pH等多种因素的耦合影响,实现对复杂生理环境的全面监测。

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图2. 超凝胶超声传感器体外测试表征。(a)温度及pH响应超凝胶示意图。(b)超凝胶及纯水凝胶照片(顶部)与超声图像(底部),比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片,比例尺500 μm。(c, d)超凝胶与纯水凝胶超声反射信号时域对比(c)与频域对比(d)。(e)压力超凝胶与商用压差计压力测试对比。(f)压力超凝胶校准曲线。(g) 温度超凝胶与商用温度计温度测试对比。(h) 温度超凝胶校准曲线。(i) pH超凝胶与商用温度计温度测试对比。(j) pH超凝胶校准曲线。(k) 压力超凝胶反映临近血管模型内流速。




动物实验结果:在大鼠和猪的动物实验中,这一凝胶传感系统展现出媲美商用有线临床设备的检测精度,且在耗能、无热效应等方面表现出极大优势。值得一提的是,在实验猪体内,它甚至能检测到微小的呼吸引起的颅内压力细微波动(约1 mmHg),而同步植入的有线压力传感器则无法监测到如此精细的变化。

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图3. 活体大鼠传感实验及生物相容性表征。(a)实验装置配置照片。(b)超凝胶植入在大鼠颅内的磁共振图像,比例尺2 mm。(c)大鼠佩戴外部超声探头照片。(d)超凝胶与临床有线颅内压探头测试大鼠颅内压力变化曲线。(e, f) 超凝胶与商用有线温度探头测试大鼠颅内温度变化曲线。(g)超凝胶24天内多次监测大鼠颅内压变化。(h) H&E染色脑组织切片照片显示超凝胶降解过程。(i) 免疫荧光染色照片显示超凝胶存续期间炎症情况。

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图4.实验猪无线颅内压原位监测。(a)实验方案配置示意图。(b)超凝胶及临床有线颅内压探头植入后猪头部照片。(c) 猪腰椎穿刺位置照片。(d)超声图像照片显示超凝胶植入猪颅内位置。(e) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随腰椎注射生理盐水变化曲线。(f)体积测试管液面高度照片显示猪颅内压随呼吸起伏。(h) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随呼吸变化曲线。临床颅内压探头难以测量微小颅内压变化。

总结:
该研究提出了一种创新型的植入式无线传感技术,该技术基于超凝胶材料变形所引发的超声波频移效应,能够精确地监测颅内各种生理参数,如颅内压、温度、pH值以及血液流速等。相较于目前市场上的植入式传感器,超凝胶传感器在尺寸、多参数分离监测能力以及可生物降解特性上展现出明显优势。这项技术不仅有望应用于颅内生理参数的监测,还能够扩展至人体其他部位的无创检测,从而为多种疾病的预防和治疗提供了新的技术支持。这种微型且可自然降解的传感器通过微创注射即可使用,大幅提升了患者的就诊便捷性,并为智能医疗健康领域的发展注入了新的活力。