华中科大\南洋理工今日Nature: “超声超构凝胶”传感器

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针对这一难题,华中科技大学臧剑锋教授团队、姜晓兵教授团队以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队提出了“超声超构凝胶”传感器。该传感器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2×2×2mm ³ 。通过计算机模拟结构优化,这种特殊结构在8-10MHz频段具有声学带隙,对入射超声波有很强的反射能力。当凝胶受到压力、温度、pH等环境变化时,会引起内部微观结构变形,进而导致反射声波频率发生可测量的偏移。相关工作以 “ Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals ” 为题今天在线发表在 Nature 上。

研究团队采用不同的智能水凝胶基质,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,具有优异的力学性能,灵敏度可达5.7kHz/mmHg,分辨率0.1mmHg;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0.5pH单位,灵敏度256kHz/pH单位。

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微米。(d)照片显示超凝胶浸泡在wen37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。

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微米。(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。

上述三种凝胶都采用生物相容性且生物可降解的材料,注射入体约1个月后就会自然降解、无需再次开颅取出。同时,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。

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。

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。

在随后的大鼠和猪动物实验中,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。令人振奋的是,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1mmHg),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。

文章提出了一种新的植入式无线传感方法，该方法基于超凝胶变形诱导的超声频移机制，用于准确监测颅内信号，包括压力、温度、pH和流速。与现有的无线植入式传感器研究相比，超凝胶传感器在植入物尺寸、多信号解耦监测和生物降解性等方面具有优势。这项创新技术未来不仅可用于颅内生理参数监测,还可应用于人体其它部位的无创诊断,为多种疾病防治提供新的技术手段。这一微型可降解传感器仅需微创注射便可工作,大大提高了就诊便利性,必将为推动智能医疗健康事业的发展注入新的动力。

论文第一作者为华中科技大学集成电路学院博士后唐瀚川、博士生杨月莹以及华中科技大学同济医学院附属协和医院博士生刘祯。论文通讯作者为华中科技大学集成电路学院学院、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授，新加坡南洋理工大学陈晓东教授以及华中科技大学同济医学院附属协和医院姜晓兵教授。该研究得到国家自然科学基金原创探索计划资助支持。