華中科技大學(xué)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)：研發(fā)用于無(wú)線監(jiān)測(cè)顱內(nèi)信號(hào)的注射超聲波傳感器
更新時(shí)間：2025-03-16 點(diǎn)擊次數(shù)：127次
本文提出了一種新的可用于體內(nèi)監(jiān)測(cè)的生物聲超材料，matagel，不僅具有與顱內(nèi)相似的機(jī)械強(qiáng)度，而且能夠在4個(gè)月內(nèi)在體內(nèi)降解，還能利用超聲監(jiān)測(cè)針對(duì)多種刺激的響應(yīng)情況，從而反映體內(nèi)生理狀態(tài)的變化，為臨床體內(nèi)植入研究提供新的方案，促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)向綠色安全發(fā)展。Metagel由25個(gè)封閉、直的風(fēng)道(直徑200 µm，高度1500 µm)組成，這些風(fēng)道排列在堅(jiān)韌的水凝膠基質(zhì)中。使用三維打印機(jī)設(shè)計(jì)并打印了具有25條直桿的模具。為了提高metagel的制造效率，將四個(gè)模具放在一起，倒入預(yù)凝膠溶液，并開(kāi)始交聯(lián)。接下來(lái)，將開(kāi)孔道的水凝膠樣品從模具中小心地分離出來(lái)，最后將開(kāi)孔道用預(yù)凝膠溶液包裝以生成超凝膠，并在pH 7.4的PBS中浸泡至少1小時(shí)，直至達(dá)到腫脹平衡狀態(tài)，所制備的metagel對(duì)于各種刺激（壓力響應(yīng)、溫度響應(yīng)、ph響應(yīng)等）具有響應(yīng)，metagel基于此用于監(jiān)測(cè)體內(nèi)的環(huán)境生理狀態(tài)。WHY—采用無(wú)線植入式對(duì)于顱內(nèi)生理監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)？顱內(nèi)生理學(xué)的直接和精確監(jiān)測(cè)對(duì)于描述損傷、預(yù)后和避免疾病具有極其重要的意義。使用經(jīng)皮導(dǎo)線的有線臨床器械是準(zhǔn)確的，但在移除過(guò)程中容易受到感染、患者行動(dòng)不便和潛在的手術(shù)并發(fā)癥的影響。與傳統(tǒng)臨床儀器相比，無(wú)線植入式傳感器為顱內(nèi)監(jiān)測(cè)提供了一種很有前途的解決方案，無(wú)線植入式設(shè)備提供了更大的操作自由度，并且極大地降低感染的風(fēng)險(xiǎn)，目前的無(wú)線植入式傳感器，主要采用近場(chǎng)通信、電感耦合或超聲波通信，可用于監(jiān)測(cè)人體參數(shù)，包括壓力、流速、溫度和pH值。HOW—研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的植入式可生物降解超聲材料，metagel，并且通過(guò)metalgel監(jiān)測(cè)顱內(nèi)多種參數(shù)的數(shù)據(jù)。
在這項(xiàng)工作中，作者提出了一種新的超介層超聲傳感材料，作者稱之為小型化元結(jié)構(gòu)水凝膠(metagel)，這是一種種柔軟的聲學(xué)超材料，并且在生物體內(nèi)能夠降解。以metagel作為植入物，可以通過(guò)外置超聲探頭無(wú)線監(jiān)測(cè)豐富的顱內(nèi)生理信號(hào)(壓力、溫度、pH值和流速)(圖1a)。設(shè)計(jì)metagel為2×2×2 mm3的立方體，使用傳統(tǒng)穿刺針輔助將其插入體內(nèi)(圖1b,c)。metagel在37℃的PBS溶液中在4個(gè)月內(nèi)自然降解(圖1d)。
metagel基于環(huán)境引起的微變形來(lái)感知顱內(nèi)環(huán)境。它包括水凝膠基質(zhì)和周期性氣柱，形成具有可調(diào)聲反射光譜的軟聲子晶體(圖1e)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了metagel非凡的聲學(xué)反射特性。當(dāng)超聲波發(fā)射時(shí)(峰值頻率為f0)，metagel以峰值頻率f1反射這些。顱內(nèi)環(huán)境變化引起元骨微變形，改變反射峰頻率(f1+Δf)。通過(guò)在水凝膠基質(zhì)上進(jìn)行刺激響應(yīng)功能化(壓力響應(yīng)、溫度響應(yīng)、ph響應(yīng)等)，metagel可以通過(guò)跟蹤反射超聲波的峰值頻移來(lái)跟蹤環(huán)境變化(圖1f)。
作者通過(guò)計(jì)算元板的能帶結(jié)構(gòu)，了解元板設(shè)計(jì)如何影響超聲反射率。當(dāng)晶格常數(shù)為a，填料直徑為d時(shí)，可以通過(guò)求解具有Bloch邊界的單個(gè)單元的特征值方程來(lái)計(jì)算metagel的帶隙。在a=0.28 mm和d=0.196 mm的情況下，metagel的聲帶隙以8.2和9.2 MHz為中心(圖1g)。當(dāng)頻率在這些帶隙范圍內(nèi)的超聲波傳輸?shù)皆鍟r(shí)，大部分能量將被反射，使元板很容易通過(guò)超聲成像加以區(qū)分。metagel的帶隙依賴于a和填充比(FR=d/a)(圖1)，因此，metagel變形引起的a和FR變化表現(xiàn)為帶隙變化。聲場(chǎng)的有限元模擬可以顯示由于metagel變形引起的反射峰頻移。未變形元板反射聲波的峰值頻率約為9.13 MHz(圖1j)，與圖1g的帶隙計(jì)算一致。由于生理環(huán)境的變化，元板發(fā)生變形，反射波的峰值頻率移至9.76 MHz(圖1k)。
