【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學集成電路學院臧劍鋒教授領導的先進醫(yī)療器械交叉研究團隊取得重要突破，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)部組織損傷康復監(jiān)測提供了柔性、可降解、無線的新方案。相關研究成果以題為《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成，內(nèi)部嵌入數(shù)百個空氣微孔，形成特殊的聲子晶體結構。當人體組織發(fā)生拉伸或振動時，傳感器結構會發(fā)生微小變形，進而引起其聲帶隙頻率的改變。通過體外的超聲探頭即可實時接收并分析回波信號，準確反映體內(nèi)組織的應變狀態(tài)，實現(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徐立群教授為共同通訊作者。
 

　　近年來，伴隨高強度運動、不規(guī)律作息及不良飲食習慣的普及，組織損傷和心血管疾病的發(fā)病率顯著上升。如何實現(xiàn)對人體內(nèi)部組織狀態(tài)的連續(xù)、精準和無創(chuàng)監(jiān)測，成為生命健康領域的重大挑戰(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“水凝膠風琴”：在果凍一樣柔軟的水凝膠中規(guī)則排列的空氣孔結構，就像風琴中有序排列的音管。當體內(nèi)組織發(fā)生運動或拉伸時，這架“風琴”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，能準確捕捉到每一次“音調(diào)”的變化，從而實時感知心跳、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。
 

可植入“水凝膠風琴”照片
 

　　研究團隊通過在豬體內(nèi)進行為期30天的植入實驗，成功監(jiān)測到了肌腱拉伸、呼吸、心跳及傷口愈合等過程，驗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，展示出其在康復評估、藥效評價、慢病管理等方面的廣泛應用前景。
 

　　論文通訊作者，華中科技大學集成電路學院臧劍鋒教授表示：“這項技術為體內(nèi)深層傷口的康復監(jiān)測，提供了一種無創(chuàng)、長期的體內(nèi)監(jiān)測方案。或許在不久的將來，患者在接受手術后將無需再頻繁地回到醫(yī)院進行復查，足不出戶即可對自身康復狀態(tài)進行實時監(jiān)測。”
 

　　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，團隊正在與臨床機構密切合作，推進該技術在肌腱康復監(jiān)測、心血管疾病預警、術后康復管理等多領域的轉(zhuǎn)化應用，持續(xù)推動健康監(jiān)測走向柔性化、智能化和個性化。該研究得到國家自然科學基金原創(chuàng)探索計劃項目、面上項目，中國博士后科學基金，華中科技大學交叉研究項目，太湖創(chuàng)新基金的資助支持。
 

超凝膠應變傳感器的系統(tǒng)設計
 

　　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構組成，通過外部超聲探頭檢測超凝膠的聲學帶隙頻移來檢測應變。
 

超凝膠應變傳感器的傳感機制
 

　　超凝膠應變傳感器由柔軟的水凝膠和插入其中的密封空氣孔結構組成，空氣孔結構的尺寸和形狀與超凝膠的聲學帶隙相關聯(lián)。
 

超凝膠應變傳感器的傳感性能
 

　　超凝膠應變傳感器在無線傳感場景中，可以實現(xiàn)對0.3%微小應變的靈敏檢測，同時在2000次的循環(huán)拉伸中保持了穩(wěn)定的頻移監(jiān)測。
 

在離體動物組織上測試超凝膠傳感器的應變傳感功能
 

　　在離體動物組織上，超凝膠傳感器實現(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。驗證了超凝膠應變傳感器在生物醫(yī)學領域廣泛的應用場景。
 

超凝膠應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計，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周的時間內(nèi)可自然降解，無需二次手術進行取出。
 

　　超凝膠傳感器在活體巴馬豬模型中實現(xiàn)了對肌腱康復的監(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月的時間里，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)生的機械應變信號。
 

　　團隊簡介
 

　　臧劍鋒教授于2014年入選國家級青年人才計劃并加入華中科技大學，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)療健康應用的聲學軟材料理論，提出了自然聆聽仿生耳蝸設計原理，開發(fā)了血管內(nèi)機器人化栓塞技術。獲湖北省自然科學獎二等獎、國際先進材料學會2023年度科學家獎章，英國皇家化學會會士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，授權發(fā)明專利30余項。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金原創(chuàng)探索計劃項目等國家或重點企業(yè)項目10余項。擔任中國工程院院刊《Engineering》青年編委、柔性電子ISFSE 2017/2018、軟體機器人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)學術會議邀請報告40余次。本課題組歡迎不同背景(尤其是電子、光電、機械，材料，生物醫(yī)學工程等)的優(yōu)秀博士生/碩士生/碩士生/本科生申請加入研究團隊！同時招聘研究助理及博士后。希望不同背景的我們，能夠在團隊內(nèi)碰撞出思維的火花，為了同一個目標努力，一起快樂地做有意思且有意義的科研工作！