近年來，由于高強度運動、不健康飲食和不規律生活方式，內臟組織損傷和心血管疾病增多。持續監測這些機械信號對臨床診斷和治療有重要意義，但現有的監測方法，如CT、MRI和超聲，存在準確性差、無法長期使用等問題。相比之下，植入式傳感器具有直接監測的優勢，但現有傳感器使用的剛性材料與軟組織不匹配，且需要二次手術取出等問題

在這里，華中科技大學臧劍鋒教授、唐瀚川副研究員、尹周平教授、西南大學徐立群教授開發了一種名為"超聲波超凝膠"的新型植入式傳感器，它由柔軟的水凝膠和周期性排列的氣泡柱組成，能夠無線監測人體內部組織的應變情況。這種超凝膠的工作原理非常巧妙：當它隨著身體組織一起變形時，內部結構會發生變化，從而改變其超聲特性，醫生只需使用外部超聲探頭就能無線檢測到這些變化。實驗證明，該傳感器不僅能有效監測豬肌腱、受傷組織和心臟組織的形變，還能在活體豬體內穩定工作30天，成功監測肌腱拉伸、呼吸和心跳等生理活動。更值得一提的是，研究人員在超凝膠中加載了生長因子，可以調控傷口愈合速度，而且植入12周后超凝膠幾乎能完全降解，不會在體內殘留。

= Metagel應變傳感器的設計 圖1a展示了metagel植入物的結構，內含周期性空氣柱嵌入軟水凝膠中。圖1b展示了無線監測系統，利用超聲波探頭檢測metagel的微小變形，通過分析回波的頻譜特征來測量內部組織的應變。metagel傳感器采用周期性空氣柱結構，形成聲子晶體，其聲學帶隙由其周期性維度參數決定。變形時，聲學帶隙向更高頻率移動，導致回聲峰值頻率發生變化（圖1d）。該傳感器由聚乙烯醇（PVA）和羧甲基殼聚糖（CMC）交聯水凝膠制成，具有低楊氏模量（約18?kPa），與軟組織相匹配，能夠緊密貼合目標組織。與現有剛性植入設備相比，PVA/CMC水凝膠傳感器能夠減少組織損傷，提升患者舒適度，且具備優良的生物降解性和生物相容性，避免了手術取出設備的需求，適合長期植入。

圖1. Metagel應變傳感器的設計

為了構建二維聲子晶體，周期性的空氣柱被封裝在水凝膠中，如圖2a所示。metagel傳感器的幾何設計主要依賴晶格常數（a）和空氣填充比（d/a）。有限元分析驗證了metagel傳感器的聲學反射特性。植入內組織后，metagel傳感器變形，導致聲學帶隙頻率的變化（圖2b）。拉伸后，帶隙頻率發生偏移，模擬結果與實驗結果相符（圖2c、2e）。拉伸應力改變空氣柱的尺寸參數（圖2d），并通過透射率模擬進一步驗證了這一變化。較小的晶格常數使帶隙頻率增大，較大的空氣填充比則增加反射光譜的幅度和頻率。最終，作者選擇了a = 1.2?mm和d/a = 0.7作為設計參數，滿足分辨率、通信距離和制造要求。

圖2. Metagel應變傳感器的工作機理

Metagel應變傳感器的表征

為了測試metagel傳感器在應變監測中的性能，建立了一個水下超聲測試系統，包括水箱、精確拉伸metagel的系統以及中央頻率為2.1 MHz的超聲探頭（圖3a）。該傳感器的超聲波回波頻率在拉伸過程中發生變化，表現出應變響應特性（圖3c）。實驗中，metagel傳感器在20%應變范圍內的回波頻率平穩變化，并且具有較小的機械滯后。在較小的0.3%應變下，傳感器也能準確測量，且信噪比經過低通濾波處理后得到增強（圖3g）。通過長達20,000次的拉伸測試，傳感器顯示出良好的長期應變監測能力。此外，傳感器對拉伸以外方向的變形反應較小，且不影響應變測量。綜合實驗結果表明，metagel傳感器能夠實現高精度、長時間的應變監測，適用于實際應用中的組織機械活動監測。

圖3. Metagel應變傳感器的性能

體外展示Metagel應變傳感器

通過將metagel傳感器植入動物體內，作者成功監測了肌腱狀態、傷口康復和心臟病等生理過程。在一項實驗中，傳感器被植入豬的前足，通過超聲波探頭實時監測足部彎曲過程中肌腱的應變（圖4a）。該傳感器對足部彎曲角度的變化具有響應，能準確反映應變的大小（圖4b）。此外，實驗還證明了傳感器能在外力作用下（如用扳手撞擊）靈敏地檢測頻率變化，顯示出其高時間分辨率（圖4c）。在另一項體外切割測試中，metagel傳感器能夠實時監測縫合肌腱的裂開過程（圖4d）。此外，metagel傳感器還可以監測傷口的愈合過程，通過與未受傷皮膚的比較，傳感器能夠檢測到傷口區域的較大應變（圖4g,h），有助于警報內部傷口裂開。在心臟監測方面，metagel傳感器也展示了其監測心跳的能力，通過監測心臟的周期性震動，能夠區分不同的心跳頻率（60-180 bpm）（圖4j），并且可以感知心跳強度的變化（圖4k）。這些實驗表明，metagel傳感器具有持續、無線監測內部組織和器官機械活動及異常的巨大潛力

圖4. 使用Metagel應變傳感器對組織菌株進行離體監測

生物相容性和生物降解性測試

為了評估metagel傳感器的生物相容性和可降解性，本研究通過細胞活性檢測、降解實驗和體內生物相容性測試進行了驗證（圖5）。使用人類心臟微血管內皮細胞（HCMECs）進行細胞活性實驗，結果顯示metagel傳感器不會對細胞的附著和增殖產生不良影響（圖5a）。ATP含量測試表明，傳感器對HCMECs的毒性幾乎可以忽略不計（圖5b）。此外，PVA/CMC水凝膠的降解實驗表明，12周后水凝膠的重量降解了約70%（圖5c），驗證了其良好的可降解性。在豬的肌腱上植入metagel傳感器并進行8周的血液學和生化測試，結果顯示，傳感器的降解過程沒有對豬的肝腎功能造成明顯影響（圖5d、e）。12周后的超聲影像顯示傳感器逐漸消失。進一步的H&E和Masson染色結果表明，傳感器在豬體內沒有引起明顯的不良反應（圖5f），且植入部位周圍沒有嚴重的炎癥（圖5g）。這些結果表明，metagel傳感器不僅具有良好的生物相容性，還能在體內降解，無需二次手術移除，具有廣泛的臨床應用前景。

圖5. Metagel應變傳感器的生物相容性和生物降解性

體內應變監測

為了驗證metagel傳感器在體內的應變監測能力，作者將其植入豬的肌腱、胸部和傷口部位進行測試。傳感器成功監測到肌腱的應變變化，且在30天后仍能穩定工作（圖6）。此外，metagel傳感器還能夠監測肌腱修復進程、傷口愈合和斷裂肌腱的頻率變化（圖6g,h）。該傳感器還用于實時監測豬的呼吸和心跳，通過超聲波探頭捕捉生理信號變化（圖6i,j）。這些實驗表明，metagel傳感器能夠為肌腱康復、藥物效果評估以及健康監測提供持續、無線的生理信息，展示了其在臨床應用中的潛力。

圖6. Metagel應變傳感器的體內功能

本文提出了一種基于超聲波的植入式metagel應變傳感器，用于持續無線監測內部組織應變，具備柔軟性、生物相容性和可降解性。與傳統的剛性植入傳感器不同，metagel傳感器能夠緊密貼合組織表面，減少機械損傷，并且不需要二次手術移除。傳感器在豬體內植入30天后穩定工作，并在12周內通過超聲成像觀察到幾乎完全降解。metagel水凝膠材料具有低超聲損耗，能實現18厘米深度的超聲波穿透。未來工作將致力于將metagel與可穿戴超聲系統結合，進行長期、動態監測，并探索其在藥物評估和其他生理信號監測中的應用。

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https://www.nature.com/articles/s41551-025-01374-z 審核編輯 黃宇