北京时间2024年3月8日，Science在线发表了美国西北大学John A. Rogers团队的最新研究，开发了一类形状自适应可降解材料结构，实现了基于超声的无创内环境稳态实时动态监测。

西北大学Querrey Simpson生物电子中心的刘佳琦博士为该工作的第一作者，Querrey Simpson生物电子中心的刘乃嘉博士，圣路易斯华盛顿大学博士研究生徐雅梦，西北大学神经生物学博士武名政，以及机械工程博士张昊晖为该工作的共同第一作者。圣路易斯华盛顿大学Chet W. Hammill教授，清华大学王禾翎研究员为该工作的共同通讯作者。

人体内环境稳态的维系涉及到一系列复杂的物理和化学信息网络，对于理解和处理临床疾病的发生和发展至关重要。传统上，内环境稳态的监测往往依赖于复杂昂贵并伴随着一定健康风险的成像技术，以及侵入性的活检方法。近年来，生物电子元件的发展为连续、无创地监测身体内部平衡的变化提供了新的途径。然而，基于这些元件的信息获取受到光、热或射频信号在生物组织中的耗散的限制，它们在临床上实现对于深层组织内稳态信息的实时监测仍面临着巨大挑战。

为了解决这些挑战，美国西北大学John A. Rogers教授团队开发了一种基于超声监测深部组织内稳态的生物可降解元件 (BioSUM)。这种元件利用自适应材料的形状变化，无创地实时监测身体内部的的环境变化。BioSUM能够感知深层组织中的特定物理和化学扰动，并将这些扰动转化为可通过超声波实时读取的形变，实现了一种全新的内稳态监测方式。值得注意的是，这些器件最终能被身体自然吸收，避免了传统设备需要手术移除的风险，同时也为微创手术提供了新的可能性。

这项研究成果发表在Science杂志上，展示了BioSUM在监测消化系统手术后泄漏等临床关键场景中的应用前景。BioSUM设备能够被缝合在手术吻合部位附近，通过超声波及时准确的监测区域pH值的变化，为及时干预，降低消化系统术后并发症的发病率和死亡率，提供了强有力的工具。

用于监测消化系统的BioSUM器件采用了pH响应型水凝胶作为其核心材料。这些水凝胶经过精心设计，能够针对特定的pH值范围、所需的机械性质以及预期的降解吸收周期进行优化。当环境pH值偏离人体正常水平（pH 7.4）时，这些水凝胶能迅速膨胀，并能在酸性或碱性条件下维持其机械稳定性。其中，用于监测胃液和肠液泄漏的材料利用了poly [2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate] [p(DMAEMA-DPAEMA)] 和 polyethylene glycol diacrylate (PEGDA)。用于碱性胰液泄漏监测的水凝胶采用了poly (acrylic acid-butyl acrylate) [p(AAc-BA)]。通过实验并结合有限元分析（FEA），研究者不仅描绘了这些水凝胶在不同pH环境下膨胀行为随时间的变化，并准确预测了其膨胀动力学。

在超声成像方面，研究者选用了锌（Zn）作为增强成像对比度的指示材料。这些Zn结构在超声成像中显示出与水凝胶及周围软组织不同的声阻抗特性，从而提高了其在成像过程中的可见度。通过超声扫描，这些Zn结构反射的声波形成了清晰可区分的亮点，使得BioSUM设备在体内的位置和形状变化能够被精确监测，即使在深达15厘米的组织中也能检测到10%以上的尺寸变化，并保持良好的信噪比（SNR > 18 dB），满足医学成像中的清晰可视化要求。

此外，通过一系列动物模型，研究团队验证了利用BioSUM器件监测消化系统术后泄漏的有效性，及其对深部组织信号监测的能力。BioSUM超声信号能成功穿透复杂环境中的多层生物组织，在消化系统中各个器官表面进行成像。研究者模拟了术后泄漏的场景，以评估BioSUM器件对泄漏检测的敏感性和响应时间。随后，使用超声技术监测这些区域，观察BioSUM器件在体内的行为和反应。在泄漏发生后的2小时内，三种不同的BioSUM材料都显示出了明显的尺寸膨胀，这些变化能够通过超声成像清晰地被捕捉。在泄漏发生后的前30分钟内，平均膨胀率均超过了10%，这一显著的变化为早期检测泄漏提供了可靠的指标。值得注意的是， BioSUM设备在检测到泄漏并发生几何形状改变后，膨胀的尺寸能够在体内稳定维持6小时，有效避免了由于检测延迟而可能产生的假阴性读数。

总而言之，该研究开发的BioSUM器件通过结合生物可降解材料与生物医学成像技术，为深部组织内环境稳态的实时、无创监测提供了一种革命性的解决方案。这种基于形状自适应的监测设备，能够响应体内环境的微小变化，并通过超声成像清晰地显现出来，从而实现对深部生理或化学变化的精确监测。该类器件首次解决了以往生物器件在动态监测体内深处信号时衰减的难点，为内稳态失衡的及时临床干预与调控奠定了基础，极大地推动了外科手术术后监测技术的进步，为疾病的早期诊断和干预提供了新的思路。

相关论文信息：

science.org/doi/10.1126/science.adk9880