編輯丨王多魚

排版丨水成文

對與動態(tài)生物力學(xué)相關(guān)的生理信號如內(nèi)臟器官壓力、呼吸頻率和動脈脈搏等進(jìn)行精確且持續(xù)的監(jiān)測，可為腦部疾病、心血管疾病、高血壓和筋膜間隔綜合征等患者的臨床診斷、治療方案建立以及術(shù)后恢復(fù)評估提供關(guān)鍵信息。然而，目前臨床廣泛使用的監(jiān)測系統(tǒng)多依賴于經(jīng)顱導(dǎo)線連接的剛性傳感器或?qū)Ч?，存在感染風(fēng)險(xiǎn)高、限制患者活動、長期使用舒適度差等問題。

盡管隨著近年來柔性電子和無線傳感技術(shù)的發(fā)展，新興的人機(jī)集成電子設(shè)備能夠與目標(biāo)軟組織建立緊密的功能界面，但多數(shù)設(shè)備仍依賴剛性的無線模塊或電池，特別是對于植入應(yīng)用來說難以實(shí)現(xiàn)真正的柔性共形貼附軟組織與長期生物相容性。

針對上述挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)宋恩名課題組（博士后周連杰、博士生劉鵬川為論文第一作者）創(chuàng)新性地將壓電薄膜諧振器與無線電感耦合原理相結(jié)合，提出了一種能夠與人體軟組織無縫集成、無需電池、無線的超薄柔性顱內(nèi)壓（ICP）傳感系統(tǒng)。利用超薄鈮酸鋰單晶壓電薄膜（LNTF，厚度僅 3 微米）構(gòu)建了無線的諧振式傳感器，傳感器的超薄結(jié)構(gòu)與無芯片設(shè)計(jì)使其可以貼附于不同生物組織形成共形接觸，通過諧振頻率的變化來檢測微小的機(jī)械形變，實(shí)現(xiàn)對人體多種生理信號的高靈敏度、實(shí)時(shí)監(jiān)測。

相關(guān)研究成果以：Wireless battery-free ultrathin-lithium-niobate resonator as wearable and implantable electronics for continuous monitoring of mechanical vital signs 為題，近日發(fā)表于Nature Communications期刊。

圖1：基于超薄鈮酸鋰壓電薄膜諧振器的無線器件工作原理、材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)以超薄單晶鈮酸鋰薄膜為功能材料、聚酰亞胺（PI）為柔性基底，通過柔性轉(zhuǎn)印與微納加工工藝構(gòu)建了厚度僅約 10 μm 的超薄、柔性無線諧振器件。其中，壓電諧振器叉指電極的周期長度 λ 決定其共振頻率 f?，而生物組織界面的機(jī)械應(yīng)變會引起周期長度變化，從而導(dǎo)致共振頻率偏移。這種工作原理使得外部讀取天線能夠以無線、高靈敏的方式捕捉諧振器共振頻率的連續(xù)變化。通過有限元仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)能使壓電薄膜諧振器的振動能量局域于 LNTF 內(nèi)，并維持在水平剪切（SH0）共振模式，從而將諧振器機(jī)電耦合效率提升至最高 35%，進(jìn)而有效提高無線傳感的距離和信號強(qiáng)度。

圖2：無線諧振器件的信號和應(yīng)變傳感性能表征

通過在懸空 LNTF 表面制備周期為 60 μm 間距的叉指電極（IDE），所獲得諧振器的本征頻率為 58.163 MHz，其較高的品質(zhì)因子（Q≈300）為高靈敏度傳感提供了基礎(chǔ)。此外，通過有限元仿真與應(yīng)變加載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了器件在拉伸、彎曲等形變下的機(jī)械魯棒性，其各功能層應(yīng)變均遠(yuǎn)低于相應(yīng)材料的斷裂極限。實(shí)驗(yàn)測得器件的應(yīng)變檢測極限低至 0.03%，靈敏度達(dá) 56.9 Hz/με，并對動態(tài)及循環(huán)應(yīng)變加載（1000次）表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)性與穩(wěn)定性。

圖3：基于LNTF諧振器的無線顱內(nèi)壓傳感器

通過將 LNTF 諧振器與具有空腔的 PDMS 基底進(jìn)行集成，利用空腔膜在外部壓力下的形變來傳遞應(yīng)變至懸空 LNTF 薄膜，構(gòu)建了將壓力信號調(diào)制為共振頻率偏移的無線、全植入式壓力傳感器件。體外壓力測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其壓力檢測極限低至 0.15 mmHg，靈敏度高達(dá)0.223 kHz/mmHg，同時(shí)量程寬達(dá) 0-240 mmHg，完全滿足臨床顱內(nèi)壓監(jiān)測的需求范圍。

圖4：大鼠模型在體顱內(nèi)壓無線監(jiān)測

在大鼠模型中的植入實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了器件在真實(shí)生理環(huán)境下的功能。器件能夠準(zhǔn)確響應(yīng)由腹部壓迫引起的急性顱內(nèi)壓變化，并與商用壓力計(jì)結(jié)果高度吻合。在模擬腦積水的病理模型中，器件能精準(zhǔn)追蹤腦脊液容量變化引發(fā)的顱內(nèi)壓波動，證明了其捕捉臨床相關(guān)病理生理信號的能力。此外，體外與在體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了器件在長期植入環(huán)境下的功能穩(wěn)定性以及生物安全性。

總的來說，該研究利用鈮酸鋰壓電薄膜和電感耦合原理構(gòu)建了一種無線超薄的諧振式柔性傳感器件，展現(xiàn)了在生物組織動態(tài)生物力學(xué)連續(xù)精準(zhǔn)監(jiān)測方面的臨床應(yīng)用潛力。其中，顱內(nèi)壓檢測靈敏度可達(dá) 0.15 mmHg（高于目前醫(yī)療器械 1 mmHg一個(gè)數(shù)量級），并在大鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長達(dá) 1 個(gè)月的 ICP 實(shí)時(shí)監(jiān)測。所開發(fā)器件具備的無線通信機(jī)制、微型化設(shè)計(jì)、柔性結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的生物相容性，為未來能夠測量多種生理信號及疾病相關(guān)內(nèi)部壓力的生物電子系統(tǒng)奠定了重要基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67413-0