生物匹配的高分子植入式傳感器，實現(xiàn)疾病的早期精準檢測

為什么盡管年度體檢結(jié)果正常，仍被診斷出患有重大疾?。繛槭裁丛袐D在產(chǎn)檢中一切正常，仍發(fā)生宮內(nèi)缺氧等疾病導致胎兒死亡？為什么手術(shù)后的患者雖然檢查結(jié)果正常，仍發(fā)生感染，造成不可逆的病理損傷甚至死亡？

面對這些情況，是否有更有效的方法來提早并準確地檢測關(guān)鍵生理指標，以實現(xiàn)對重大疾病的早期精準篩查，從而減少患者的痛苦、身體損害和死亡風險？

以妊娠期疾病為例，全球數(shù)據(jù)顯示每年有超過2000萬例高風險妊娠和大約260萬例胎兒死亡。

其中，宮內(nèi)缺氧的比例分別高達38.5%。這些疾病往往可以通過分析羊水中的生化物質(zhì)異常來提前發(fā)現(xiàn)。若能實現(xiàn)對妊娠期羊水中生化物質(zhì)的實時檢測，就有可能在疾病早期進行干預，從而有效保障母嬰安全。

然而，據(jù)了解，目前沒有能夠?qū)崟r檢測羊水生化信息的方法。超聲波檢測（B超）主要用于成像診斷，不能直接提供生化物質(zhì)的相關(guān)信息。

通過羊膜穿刺術(shù)獲得的生化數(shù)據(jù)存在明顯的時間滯后，并且頻繁進行羊膜穿刺術(shù)可能導致羊膜破裂，增加流產(chǎn)風險。

實現(xiàn)生化信息的實時檢測和疾病的早期診斷，面臨的一個關(guān)鍵難題是：如何構(gòu)建與生物組織相匹配的植入式傳感器？

傳感器與生物組織的不匹配：一方面導致植入后對生物組織造成嚴重創(chuàng)傷；另一方面器件-組織的界面不穩(wěn)定，也降低了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，使器件記錄的信號退化，器件失效，無法實現(xiàn)對生理信號精準、實時和長期穩(wěn)定的檢測。

針對這一難題，南京大學張曄教授和團隊通過模仿細胞外基質(zhì)，設計制備生物界面高度匹配的高分子凝膠涂層，創(chuàng)建了一種界面穩(wěn)定性高的高分子纖維傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)對體內(nèi)生化物質(zhì)的實時且準確的檢測（圖1）。

這種高分子傳感器在植入后能與羊膜組織快速粘附，促進羊膜再生，并實現(xiàn)均勻的應力分布，維持羊水環(huán)境的穩(wěn)定。

圖1 高分子傳感器實時檢測妊娠期間羊水的生化信號，用于妊娠疾病的早期檢測（來源：Adv. Mater.2024, 36, 2307726）

高分子傳感器能夠?qū)z測到的生化信號轉(zhuǎn)化為電信號，無線傳輸至終端設備，實現(xiàn)對生化物質(zhì)的持續(xù)且實時檢測。

在急性缺氧等緊急情況下，該傳感器能迅速識別乳酸等關(guān)鍵生理指標的異常變化，并發(fā)出早期預警信號，以便及時治療。

這一早期檢測預警系統(tǒng)顯著提高了胎鼠的存活率，達到95%，接近于未受疾病影響的胎鼠存活率。

相比之下，在沒有傳感器預警的情況下，在缺氧發(fā)生1小時后，胎鼠的存活率僅為13.3%，且會造成存活幼鼠腦部神經(jīng)元活性的顯著下降和大腦發(fā)育的不可逆損傷。

因此，該高分子傳感器在改善胎兒存活率和發(fā)育質(zhì)量方面具有重要的價值。

生物匹配的高分子傳感器還可以與醫(yī)用外科導管集成。醫(yī)用外科導管在醫(yī)學領域具有廣泛應用，通常用于藥物輸送和術(shù)后引流。

然而，導管-組織界面處引發(fā)的感染是一個常見問題，這可能導致不可逆的病理損傷、認知行為異常，甚至增加死亡風險，局部溫度升高為發(fā)生感染的顯著特征。

為應對這一挑戰(zhàn)，課題組設計并構(gòu)建了一種能夠?qū)崟r感應溫度的高分子水凝膠涂層，這種涂層被原位涂覆在醫(yī)用外科導管的表面，能夠有效檢測顱腦、腹腔和尿道等多個植入部位的感染狀況（圖2）。

該水凝膠涂層具有高達2.90%/℃的電阻溫度系數(shù)，在植入式溫度感應裝置中表現(xiàn)出領先的傳感性能。在腦部感染疾病模型的中，該傳感器能夠?qū)崟r準確地檢測到異常的局部溫度變化，并及時進行感染的干預治療。

這大大提高了個體的存活率，即從60%提升至90%。未來，這種水凝膠傳感涂層還有潛力擴展集成多種生理信號的檢測功能，這對于個性化的預防和診斷等臨床應用將具有重要意義。

圖2 涂覆高分子凝膠的醫(yī)用外科導管，用于腦部、胸腔、腹腔和泌尿道等局部溫度和感染狀況的檢測（來源：Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2310260）

在發(fā)展植入式電子器件的過程中，另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何構(gòu)建滿足特定應用需求的能源供給系統(tǒng)，即電池。電池是植入式電子器件的“心臟”，它為器件提供必要的能源，確保傳感等功能的正常運行。

這些電池需要滿足若干關(guān)鍵要求，包括優(yōu)良的生物安全性、高能量密度、穩(wěn)定的輸出電壓、小尺寸以及高集成度。

然而，現(xiàn)有的商用植入式電池面臨諸多限制。它們通常使用具有毒性的有機電解液，這增加了安全風險。

同時，為了防止泄漏，這些電池需要嚴格的封裝，導致它們呈現(xiàn)出剛性的形態(tài)，其力學性能與軟組織不匹配。

此外，這些電池的能量密度較低，體積較大，難以有效滿足植入式電子器件的應用要求。

為了解決這一核心難題，該課題組研發(fā)了一系列與生物環(huán)境高度匹配的植入式高分子化學電池。

這些電池經(jīng)過精心設計，不僅在力學性能上與軟組織高度兼容，而且在生物體內(nèi)的多個部位都能穩(wěn)定運行。

其最大的亮點是能量密度極高，達到了2517 Wh/L，是目前植入式電池的最高記錄。電池的體積可以做到極小，僅為0.015 mm3。

即使在放大400倍的情況下，性能仍能基本保持不變。此外，可以與生物組織之間能形成良好的界面接觸，有效降低異物反應，展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性。

這些特點使得高分子化學電池在植入式醫(yī)療設備領域具有重要的應用價值，尤其是在滿足小型化、高效能和生物兼容性方面的嚴苛要求上。

圖3 集成了電池的神經(jīng)導管促進受損神經(jīng)的再生（來源：Adv. Mater. 2023, 35, 2302997）

得益于電池在高能量密度和生物安全性方面的顯著優(yōu)勢，它可以與各種醫(yī)療器件實現(xiàn)高度集成。

例如，這種體積小巧、重量輕的電池可以與聚丙烯酰胺水凝膠應變傳感器結(jié)合使用，直接貼附在胃表面，檢測胃的蠕動活動。

這種集成方案有效排除了導線可能引起的感染和導線斷裂導致的設備故障風險。此外，這種電池還可以集成在神經(jīng)導管上，從而在促進神經(jīng)修復和再生方面發(fā)揮重要作用（圖3）。

長截段外周神經(jīng)損傷的修復是臨床上的一大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的自體神經(jīng)移植方法雖然有效，但來源有限，且患者需要承受二次手術(shù)的風險。

該團隊的高分子化學電池能夠緊密包裹受損的柔軟神經(jīng)，在神經(jīng)導管中提供原位精準的電刺激，從而促進雪旺細胞的增殖和神經(jīng)生長因子的表達，實現(xiàn)了長段受損外周神經(jīng)的修復再生。

治療效果可與自體神經(jīng)移植的“金標準”相當，同時避免了自體神經(jīng)移植所帶來的風險。

審核編輯：劉清