近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院臧劍鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)醫(yī)療器械交叉研究團(tuán)隊(duì)取得重要突破，開發(fā)出一種全新的超聲植入式超凝膠傳感器（Metagel傳感器），為內(nèi)部組織損傷康復(fù)監(jiān)測提供了柔性、可降解、無線的新方案。相關(guān)研究成果以題為《An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains》，于2025年4月14日在線發(fā)表于《Nature Biomedical Engineering》期刊。該傳感器完全由柔軟的水凝膠材料構(gòu)成，內(nèi)部嵌入數(shù)百個(gè)空氣微孔，形成特殊的聲子晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)人體組織發(fā)生拉伸或振動時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)會發(fā)生微小變形，進(jìn)而引起其聲帶隙頻率的改變。通過體外的超聲探頭即可實(shí)時(shí)接收并分析回波信號，準(zhǔn)確反映體內(nèi)組織的應(yīng)變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無需電池、無金屬、無芯片的連續(xù)無線監(jiān)測。華中科技大學(xué)博士田野，楊月瑩，唐瀚川為論文共同第一作者，臧劍鋒教授、唐瀚川副教授、尹周平教授以及西南大學(xué)徐立群教授為共同通訊作者。
圖1. 華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院臧劍鋒教授研究團(tuán)隊(duì)
近年來，伴隨高強(qiáng)度運(yùn)動、不規(guī)律作息及不良飲食習(xí)慣的普及，組織損傷和心血管疾病的發(fā)病率顯著上升。如何實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)部組織狀態(tài)的連續(xù)、精準(zhǔn)和無創(chuàng)監(jiān)測，成為生命健康領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。
本工作提出了一種創(chuàng)新的Metagel傳感器，它像是一架植入體內(nèi)的“水凝膠風(fēng)琴”：在果凍一樣柔軟的水凝膠中規(guī)則排列的空氣孔結(jié)構(gòu)，就像風(fēng)琴中有序排列的音管。當(dāng)體內(nèi)組織發(fā)生運(yùn)動或拉伸時(shí)，這架“風(fēng)琴”會隨之變形，改變其聲波共鳴的“音調(diào)”。體外的超聲探頭就像聆聽的耳朵，能準(zhǔn)確捕捉到每一次“音調(diào)”的變化，從而實(shí)時(shí)感知心跳、呼吸、傷口愈合等內(nèi)部生理活動。無需電池、無需芯片，這架“風(fēng)琴”悄無聲息地演奏著身體的健康旋律，成為了連接醫(yī)生與體內(nèi)信號的橋梁。
圖2. 可植入“水凝膠風(fēng)琴”照片
研究團(tuán)隊(duì)通過在豬體內(nèi)進(jìn)行為期30天的植入實(shí)驗(yàn)，成功監(jiān)測到了肌腱拉伸、呼吸、心跳及傷口愈合等過程，驗(yàn)證了該器件的長期穩(wěn)定性、生物相容性與可降解性。尤其值得一提的是，研究人員還將生長因子加載于Metagel中，實(shí)現(xiàn)了不同愈合速度下的傷口動態(tài)監(jiān)測，展示出其在康復(fù)評估、藥效評價(jià)、慢病管理等方面的廣泛應(yīng)用前景。
論文通訊作者，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院臧劍鋒教授表示：“這項(xiàng)技術(shù)為體內(nèi)深層傷口的康復(fù)監(jiān)測，提供了一種無創(chuàng)、長期的體內(nèi)監(jiān)測方案?；蛟S在不久的將來，患者在接受手術(shù)后將無需再頻繁地回到醫(yī)院進(jìn)行復(fù)查，足不出戶即可對自身康復(fù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?！?/p>
該成果不僅突破了傳統(tǒng)電子植入式器械在材料生物相容性、無線傳輸和可降解性方面的技術(shù)瓶頸，也為今后開發(fā)更加柔軟、安全、智能的體內(nèi)傳感器提供了全新思路。目前，團(tuán)隊(duì)正在與臨床機(jī)構(gòu)密切合作，推進(jìn)該技術(shù)在肌腱康復(fù)監(jiān)測、心血管疾病預(yù)警、術(shù)后康復(fù)管理等多領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，持續(xù)推動健康監(jiān)測走向柔性化、智能化和個(gè)性化。該研究得到國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，中國博士后科學(xué)基金，華中科技大學(xué)交叉研究項(xiàng)目，太湖創(chuàng)新基金的資助支持。
圖3. 超凝膠應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
柔軟可變形的超凝膠傳感器僅由水凝膠材料和插入其中的空氣孔結(jié)構(gòu)組成，通過外部超聲探頭檢測超凝膠的聲學(xué)帶隙頻移來檢測應(yīng)變。
圖4. 超凝膠應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)制
超凝膠應(yīng)變傳感器由柔軟的水凝膠和插入其中的密封空氣孔結(jié)構(gòu)組成，空氣孔結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀與超凝膠的聲學(xué)帶隙相關(guān)聯(lián)。
圖5. 超凝膠應(yīng)變傳感器的傳感性能
超凝膠應(yīng)變傳感器在無線傳感場景中，可以實(shí)現(xiàn)對0.3%微小應(yīng)變的靈敏檢測，同時(shí)在2000次的循環(huán)拉伸中保持了穩(wěn)定的頻移監(jiān)測。
圖6. 在離體動物組織上測試超凝膠傳感器的應(yīng)變傳感功能
在離體動物組織上，超凝膠傳感器實(shí)現(xiàn)了對肌腱拉伸，外部敲擊，肌腱損傷，豬皮傷口以及心臟跳動的頻率和幅度的無線連續(xù)監(jiān)測。驗(yàn)證了超凝膠應(yīng)變傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用場景。
圖7. 超凝膠應(yīng)變傳感器的生物相容性/可降解性能
得益于超凝膠傳感器的全水凝膠設(shè)計(jì)，傳感器在生物相容性和生物可降解性方面表現(xiàn)出色。超凝膠傳感器在植入后12周的時(shí)間內(nèi)可自然降解，無需二次手術(shù)進(jìn)行取出。
圖8. 超凝膠傳感器在活體巴馬豬模型中實(shí)現(xiàn)了對肌腱康
復(fù)的監(jiān)測，和對呼吸、心跳等重要生理參數(shù)的監(jiān)測功能
超凝膠傳感器在植入活體巴馬豬一個(gè)月的時(shí)間里，保持了穩(wěn)定的肌腱拉伸監(jiān)測功能。如果將超凝膠傳感器植入在活體巴馬豬的受損肌腱上，則可以連續(xù)無線地監(jiān)測肌腱的康復(fù)情況。另外，超凝膠傳感器也可以用于連續(xù)無線地監(jiān)測呼吸、心跳等重要生理活動所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)變信號。
團(tuán)隊(duì)簡介
臧劍鋒教授于2014年入選國家級青年人才計(jì)劃并加入華中科技大學(xué)，其專注于醫(yī)工交叉的基于智能軟材料的創(chuàng)新醫(yī)療器械研究，研究方向包括柔性電子、植入式器件與磁醫(yī)用機(jī)器人。近年來，取得了一系列代表性的科研成果，提出了面向醫(yī)療健康應(yīng)用的聲學(xué)軟材料理論，提出了自然聆聽仿生耳蝸設(shè)計(jì)原理，開發(fā)了血管內(nèi)機(jī)器人化栓塞技術(shù)。獲湖北省自然科學(xué)獎二等獎、國際先進(jìn)材料學(xué)會2023年度科學(xué)家獎?wù)?，英國皇家化學(xué)會會士FRSC，發(fā)表Nature, Nature Materials, Nature Biomedical Engineering, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications（3篇）等90多篇論文，申請發(fā)明專利40余項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目等國家或重點(diǎn)企業(yè)項(xiàng)目10余項(xiàng)。擔(dān)任中國工程院院刊《Engineering》青年編委、柔性電子ISFSE 2017/2018、軟體機(jī)器人SoRo 2019/2020等國際國內(nèi)會議共同執(zhí)行主席,受邀國際國內(nèi)學(xué)術(shù)會議邀請報(bào)告40余次。本課題組歡迎不同背景（尤其是電子、光電、機(jī)械，材料，生物醫(yī)學(xué)工程等）的優(yōu)秀博士生/碩士生/碩士生/本科生申請加入研究團(tuán)隊(duì)！同時(shí)招聘研究助理及博士后。希望不同背景的我們，能夠在團(tuán)隊(duì)內(nèi)碰撞出思維的火花，為了同一個(gè)目標(biāo)努力，一起快樂地做有意思且有意義的科研工作！
