新型植入式傳感器具備監(jiān)測(cè)人體內(nèi)多種變量的能力，包括電生理學(xué)、生物力學(xué)、神經(jīng)遞質(zhì)和其他生物標(biāo)志物的濃度等信息，有助于預(yù)防和治療各種疾病。傳統(tǒng)的植入式傳感器通常使用經(jīng)皮導(dǎo)線將信號(hào)傳輸至體外。然而，為了更廣泛地應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)，理想的植入式傳感器應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：

（i）無(wú)線傳輸信號(hào)至體外，避免導(dǎo)線引起的感染和炎癥；

（ii）在體外使用小型設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)需大型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)院外或居家健康監(jiān)測(cè)。然而，現(xiàn)有解決方案主要依賴商用芯片電路，如藍(lán)牙或近場(chǎng)通信（NFC）芯片，但是植入電路在微創(chuàng)、生物相容性和能源供給等方面面臨挑戰(zhàn)。盡管基于LC諧振、超聲、光學(xué)與磁場(chǎng)等原理的無(wú)源可植入式傳感器具有小尺寸、無(wú)需能源供給的特點(diǎn)，但是大多需要較大的外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備，無(wú)法滿足穿戴/便攜的應(yīng)用場(chǎng)景。

為此，北京大學(xué)韓夢(mèng)迪助理教授課題組報(bào)道了一種小型化、無(wú)源、無(wú)線的植入式傳感系統(tǒng)，通過(guò)穿戴式設(shè)備能夠?qū)σ后w粘稠度、環(huán)境壓強(qiáng)與多種生物標(biāo)志物的濃度等物理生化量進(jìn)行無(wú)線傳感。相關(guān)成果以“Millimeter-scale magnetic implants paired with a fully integrated wearable device for wireless biophysical and biochemical sensing”為題發(fā)表在《Science Advances》期刊上，北京大學(xué)博士研究生萬(wàn)基為第一作者，聶眾一為共同一作。

圖1 小型化傳感系統(tǒng)工作原理

小型化的無(wú)線傳感系統(tǒng)包括毫米級(jí)別的磁性植入器件與厘米級(jí)別的可穿戴設(shè)備。可穿戴設(shè)備能夠激勵(lì)磁性植入物器件上的微型磁鐵進(jìn)行大幅度的振動(dòng)，并通過(guò)可穿戴設(shè)備內(nèi)的隧穿磁阻傳感器（TMR）檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征的提取分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性植入器件所處環(huán)境信息的無(wú)線傳感。

穿戴式設(shè)備通過(guò)磁場(chǎng)無(wú)線激勵(lì)磁性植入器件，并檢測(cè)其振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)的衰減速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粘稠度的無(wú)線傳感，粘稠度越大，衰減越快；分析空腔磁性植入器件的振動(dòng)頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓強(qiáng)的無(wú)線傳感，壓強(qiáng)越大，頻率越高；通過(guò)表面特異性化學(xué)修飾與開(kāi)放空腔結(jié)構(gòu)，分析振動(dòng)頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定生物標(biāo)志物的無(wú)線傳感，生物標(biāo)志物濃度越高，頻率越低。通過(guò)器件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)分頻傳感，通過(guò)區(qū)分振動(dòng)頻段可實(shí)現(xiàn)多變量傳感。

圖2 小型化傳感系統(tǒng)的物理生化變量傳感原理及雙變量傳感

在大鼠顱內(nèi)植入器件，并通過(guò)穿戴式設(shè)備進(jìn)行激勵(lì)與監(jiān)測(cè)。通過(guò)升溫改變其植入部位腦脊液的粘稠度，對(duì)升溫前、升溫后以及冷卻后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取分析。結(jié)果顯示，在高溫度情況下，粘稠度較低，振動(dòng)衰減速率較慢；相反，在相對(duì)低溫情況下，粘稠度較高，振動(dòng)衰減速率較快。

圖3 在體驗(yàn)證：基于衰減系數(shù)的無(wú)線粘稠度傳感

植入空腔器件后，通過(guò)腹部按壓改變大鼠顱內(nèi)壓，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行分析，能夠無(wú)線傳感顱內(nèi)壓的改變。該系統(tǒng)與商用壓力導(dǎo)管輸出相匹配，并保持一定的輸出穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾的開(kāi)放空腔器件植入后，注射高濃度葡萄糖溶液可觀測(cè)到振動(dòng)頻率逐漸下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖含量的無(wú)線傳感。

圖4 在體驗(yàn)證：基于振動(dòng)頻率的無(wú)線壓強(qiáng)與葡萄糖傳感

綜上所述，該研究介紹了一種創(chuàng)新的磁性植入器件，無(wú)需芯片或電池，可與可穿戴設(shè)備配對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)各種物理和生化變量（如粘度、壓力和葡萄糖濃度）的無(wú)線監(jiān)測(cè)。與現(xiàn)有的無(wú)線植入式傳感器不同，該系統(tǒng)具有幾個(gè)獨(dú)特之處。首先，可穿戴設(shè)備與植入物之間通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行雙向交互，無(wú)需商用芯片、電池或線圈，因此無(wú)需大型讀取設(shè)備，從而減小了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體尺寸。其次，植入物采用柔軟材料作為振動(dòng)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)幅度比傳統(tǒng)MEMS大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，振動(dòng)頻率可根據(jù)需要進(jìn)行尺寸定制，有助于在非屏蔽環(huán)境中進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，并支持使用不同頻段進(jìn)行多變量傳感。第三，經(jīng)過(guò)表面修飾的磁性植入器件的振動(dòng)特征不僅反映周圍的物理?xiàng)l件，還包含特定化學(xué)物質(zhì)的濃度信息，可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型將時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)與各種物理和生化參數(shù)相關(guān)聯(lián)。最后，磁性植入器件的無(wú)芯片和無(wú)電池的特性有助于長(zhǎng)期的生物安全性，支持體內(nèi)應(yīng)用。在大鼠顱內(nèi)模型中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)腦脊液粘度、顱內(nèi)壓和腦脊液葡萄糖水平的能力，為腦部疾病的治療提供了個(gè)性化和定制化的參考。這些特點(diǎn)凸顯了該小型化系統(tǒng)作為現(xiàn)有無(wú)線植入式傳感技術(shù)的補(bǔ)充，可定量、持續(xù)地監(jiān)測(cè)多種物理與生化變量。

論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.adm9314


審核編輯：劉清