Nature：用于颅内信号无线监测的注射式超声传感器

一、 【科学背景】  

       2023年5月9日，国家重点研发计划“智能传感器”专项“面向颅内多参数检测的柔性颅内植入式多模态集成感知及调控技术研究”项目启动暨实施方案论证会在北京召开。2024年4月3日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）牵头承担的国家重点研发计划 “无线植入式颅内压监测技术研究及样机研制” 项目启动暨实施方案专家论证会在北京召开。以此来实现多模式、多领域和多学科领域的技术交叉融合。截止到目前，已有公司完成全球首款无线颅内多参数监护系统，完成首例临床入组。其中最重要的注射式超声传感器，是一种用于颅内信号无线监测的技术。注射式超声传感器是一种创新的技术，可以实现颅内信号的无线监测，为医生提供更准确、及时的患者生理状态信息，有助于提高颅内疾病的诊断和治疗效果。华中科技大学姜晓兵和臧剑锋、南洋理工大学陈晓东团队，提出了一种可注射，生物可吸收和无线元结构水凝胶（元凝胶）传感器超声监测颅内信号，相关研究成果以 “Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals”为题目发表在国际顶级期刊Nature上。

二、【科学贡献】

       在这项工作中，提出了一个新的研究范例—元凝胶超声传感。使用柔软的声学超材料，完全生物可吸收和微型化的亚结构水凝胶（超凝胶）。作为唯一的植入物，可以使用外部超声探头无线监测丰富的颅内生理信号（压力、温度、pH值和流速）。

图1 可注射可生物降解超声波传感器的设计。© 2024 Nature

       用于检测压力变化的元凝胶基质是由聚乙烯醇/羧甲基壳聚糖（PVA/CMC）双重网络组成的坚韧且刺激惰性的水凝胶。外部压力压缩超凝胶内的空气柱，导致超声反射峰值频率增加。掺入水凝胶基质中的刺激响应性组分使元凝胶具有感知其他信号的能力。PVA/聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PVA/ PNIPAM）双网络水凝胶被设计成感测温度变化，并且PVA/壳聚糖（CS）双网络水凝胶被设计成检测pH的变化。

图2 用于监测多信号的超声波传感器的体外表征。© 2024 Nature

图3 Metagel超声传感器在大鼠体内的传感性能及生物相容性。© 2024 Nature

       为了进一步验证元凝胶的实际应用潜力，使用猪模型在更接近临床条件的情况下进行实时ICP测量。为了进行比较分析，使用了两种常用的临床ICP测量技术。

图4 小型猪颅内压无线监测。© 2024 Nature

三、【 创新点】 

      1．使用柔软的、完全生物可吸收和微型化的亚结构水凝胶（超凝胶）。作为唯一的植入物，可以使用外部超声探头无线监测丰富的颅内生理信号（压力、温度、pH值和流速），且后续该凝胶可自然降解。

2. 构建了用于脑组织模型内pH成像的pH元凝胶阵列。能够通过无线监测各种身体部位的生理参数，提供疾病预防，预后指导以及结合用于完成特定检测。

四、【 科学启迪】

       本研究提出了一种新的植入式无线传感方法，该方法基于元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值和流速。与现有的无线植入式传感器研究相比，元凝胶传感器在植入物尺寸、去耦多信号和生物降解性方面具有优势。该方法开启了其他多种可能性：（1）元凝胶传感器可以被注射到体内，避免了广泛的外科手术的需要;（2）体内的大量信号可以使用手持或可穿戴超声设备精确地、连续地和无线地监测;（3）在预期的监测持续时间之后，元凝胶自然地经历降解，消除了手术提取的必要性。研究结果将促进安全紧凑的无线植入式传感器的发展，并有可能取代包含经皮导线的临床传感器范例。此外，元凝胶也可以作为阵列注入目标区域，能够显示生理参数的空间分布。为了说明这一点，构建了用于脑组织模型内pH成像的pH元凝胶阵列。元凝胶传感器的潜在应用包括无线监测各种身体部位的生理参数，提供疾病预防，预后指导以及结合用于特定检测的响应组件的可能性。同时，这些成果将推动诊断和治疗的整合以及积极的健康管理。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07334-y