Nature BME | 从“听见”组织的呼吸开始：一种无需芯片的柔性植入式传感器

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医工学人评论

提出并验证了一种基于水凝胶的可植入声子晶体（metagel）传感器，用于连续、无线监测体内组织应变，克服了传统植入式电子传感器在柔软性、生物相容性、生物可降解性和无线通信方面的限制。

近年来，由于高强度运动、不健康的食物和不规律的生活方式，内部组织损伤和心血管疾病显著增加。通过分析目标组织和器官发出的有节奏的机械信号，可以检测内部组织修复、伤口裂开和心血管疾病。因此，对内部组织上的这些机械信号的持续监测具有巨大的潜力，可以为临床诊断提供有价值的评估，为个人提供个性化治疗，并促进出院后对康复状况的监测。然而，目前内部组织监测的临床实践，如计算机断层扫描、磁共振成像和超声检查，在准确的应变测量、内部组织的长期监测以及需要训练有素的临床医生方面存在局限性。

4月14日，华中科技大学臧剑锋教授团队在《自然·生物医学工程》期刊发布研究文章，提出并验证了一种基于水凝胶的可植入声子晶体（metagel）传感器，用于连续、无线监测体内组织应变，克服了传统植入式电子传感器在柔软性、生物相容性、生物可降解性和无线通信方面的限制。这项技术的核心突破，不仅在于“听得见”，更在于它能长期存在于体内、却不打扰身体。

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我们为什么需要一个“隐形监听器”？

临床上，无论是运动损伤后的肌腱修复，还是术后伤口的愈合状况，都高度依赖医生主观判断或阶段性影像学检查，如MRI、超声、CT等。

这些方法存在明显限制：

难以连续追踪；

无法捕捉实时的机械状态变化；

检测窗口之外的突发问题（如伤口崩裂）易被遗漏。

为此，科研界近年来持续探索植入式应变传感器。但目前主流方案多基于电子器件，面临三大瓶颈：

材料刚性与组织不匹配，可能诱发炎症反应；

植入后需二次手术取出，增加患者负担；

无线数据传输和供能难题未解，大幅限制实际临床转化。

这正是metagel切入的关键点。

图1metagel 应变传感器的设计。

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Metagel 是什么？

Metagel，本质上是一个由柔性可降解水凝胶（PVA/CMC）制成的二维声子晶体。它的内部结构由周期性封闭空气柱阵列构成——这种结构可以在超声波传播时，产生频带隙（bandgap）效应。

原理是什么？

当组织发生拉伸时，metagel的微结构随之变形；

其内部“气柱晶格”会改变排列周期，进而调制超声反射频率；

这种频率偏移，可被体外的超声探头无创感知；

无需电源、芯片或数据线，完成应变检测。

一句话总结：组织动，频率变，医生“听”得见。

图2metagel 应变传感器的微结构

图3metagel应变传感器的性能

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从“能感知”到“能工作”：功能验证

研究团队分别在离体和在体模型中，验证了metagel的多场景能力：

肌腱应变监测：在猪前蹄肌腱上植入metagel，能精准反映每一次足部弯曲所引发的肌腱应变，30天持续有效工作，无明显组织反应。

伤口裂开识别：通过在伤口位置布置metagel，实验模拟“切开-缝合-再切开”的过程，传感器可动态识别伤口崩裂全过程，在裂开瞬间产生明显频率跃迁。

呼吸与心跳监测：metagel被植入猪胸部和心包区域，能实时检测呼吸周期与心率变化，甚至可识别出模拟的心律失常，如房颤与心动过缓。

图4使用 metagel 应变传感器对组织应变进行离体监测。

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材料与生物相容性如何？

Metagel采用的PVA/CMC水凝胶本身具有良好的：

柔软性（杨氏模量 ~18 kPa，接近软组织）；

生物相容性（体外细胞活性实验、血液生化指标均正常）；

降解性（12周后在猪体内几乎完全降解）。

此外，实验未发现组织明显纤维化或慢性炎症，无需二次手术取出，可大幅降低临床植入风险。

图5metagel 应变传感器的生物相容性和生物降解性。

临床应用潜力如何？

图6metagel 应变传感器的体内功能。

该研究虽仍处于动物实验阶段，但其设计理念和性能表现，为多个关键临床场景带来了可期的应用前景。

运动康复：术后肌腱、韧带修复的实时状态跟踪，辅助个性化康复决策。

慢性创面管理：糖尿病足、压疮等伤口难愈问题，可通过应变波动预判组织应力集中区，防止再裂开。

ICU/术后监测：不插电、不显眼、不易感染的“体内监听装置”，可持续感知心肺节律波动，为危重病人提供更稳定的数据支持。

智能药物平台：Metagel还可加载生长因子等活性成分，未来有望成为集“监测+治疗”于一体的植入载体。

在未来的医疗图景中，医生或许无需再开刀检查内部结构是否健康。一颗心跳、一次呼吸、一条肌腱的微微拉伸，就足以“诉说”一切。Metagel或许不是终点，但它正在打开这样一个想象的入口。

撰文 | 罗虎

审核 | 医工学人理事会