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華中科技大學聯合新加坡南洋理工大學:研發用于無線監測顱內信號的注射超聲波傳感器

更新時間:2025-03-16   點擊次數:92次
本文提出了一種新的可用于體內監測的生物聲超材料,matagel,不僅具有與顱內相似的機械強度,而且能夠在4個月內在體內降解,還能利用超聲監測針對多種刺激的響應情況,從而反映體內生理狀態的變化,為臨床體內植入研究提供新的方案,促進醫療事業向綠色安全發展。

WHAT—什么是metagel?
Metagel由25個封閉、直的風道(直徑200 µm,高度1500 µm)組成,這些風道排列在堅韌的水凝膠基質中。使用三維打印機設計并打印了具有25條直桿的模具。為了提高metagel的制造效率,將四個模具放在一起,倒入預凝膠溶液,并開始交聯。接下來,將開孔道的水凝膠樣品從模具中小心地分離出來,最后將開孔道用預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,直至達到腫脹平衡狀態,所制備的metagel對于各種刺激(壓力響應、溫度響應、ph響應等)具有響應,metagel基于此用于監測體內的環境生理狀態。

WHY—采用無線植入式對于顱內生理監測的優勢?
顱內生理學的直接和精確監測對于描述損傷、預后和避免疾病具有極其重要的意義。使用經皮導線的有線臨床器械是準確的,但在移除過程中容易受到感染、患者行動不便和潛在的手術并發癥的影響。與傳統臨床儀器相比,無線植入式傳感器為顱內監測提供了一種很有前途的解決方案,無線植入式設備提供了更大的操作自由度,并且極大地降低感染的風險,目前的無線植入式傳感器,主要采用近場通信、電感耦合或超聲波通信,可用于監測人體參數,包括壓力、流速、溫度和pH值。

HOW—研究團隊提出了一種新的植入式可生物降解超聲材料,metagel,并且通過metalgel監測顱內多種參數的數據。

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在這項工作中,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構水凝膠(metagel),這是一種種柔軟的聲學超材料,并且在生物體內能夠降解。以metagel作為植入物,可以通過外置超聲探頭無線監測豐富的顱內生理信號(壓力、溫度、pH值和流速)(圖1a)。設計metagel為2×2×2 mm3的立方體,使用傳統穿刺針輔助將其插入體內(圖1b,c)。metagel在37℃的PBS溶液中在4個月內自然降解(圖1d)。


metagel基于環境引起的微變形來感知顱內環境。它包括水凝膠基質和周期性氣柱,形成具有可調聲反射光譜的軟聲子晶體(圖1e)。這種結構設計賦予了metagel非凡的聲學反射特性。當超聲波發射時(峰值頻率為f0),metagel以峰值頻率f1反射這些。顱內環境變化引起元骨微變形,改變反射峰頻率(f1+Δf)。通過在水凝膠基質上進行刺激響應功能化(壓力響應、溫度響應、ph響應等),metagel可以通過跟蹤反射超聲波的峰值頻移來跟蹤環境變化(圖1f)。


作者通過計算元板的能帶結構,了解元板設計如何影響超聲反射率。當晶格常數為a,填料直徑為d時,可以通過求解具有Bloch邊界的單個單元的特征值方程來計算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)。當頻率在這些帶隙范圍內的超聲波傳輸到元板時,大部分能量將被反射,使元板很容易通過超聲成像加以區分。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變化表現為帶隙變化。聲場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的帶隙計算一致。由于生理環境的變化,元板發生變形,反射波的峰值頻率移至9.76 MHz(圖1k)。

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