不用電池、不怕偏移：一種可降解植入式傳感器，把信號讀到了16厘米深處

精準獲取人體內部的壓力、溫度、應變等生理信號，是疾病診斷和精細化治療的基礎。然而，現(xiàn)有手段要么依賴核磁、CT、超聲等大型成像設備，難以連續(xù)監(jiān)測；要么依賴植入式電子器件，卻往往需要電池、芯片或磁體，存在二次手術取出的風險。近年來出現(xiàn)的可降解無線傳感器為這一難題帶來希望，但其核心瓶頸始終未解：讀數(shù)距離短、角度敏感，一旦植入體發(fā)生位移，信號就會失真甚至消失。如何在真實、不可控的體內環(huán)境中，實現(xiàn)穩(wěn)定、遠距離、寬角度的無線讀出，是該領域長期未能跨越的技術鴻溝。

今日，中科院力學研究所蘇業(yè)旺研究員聯(lián)合香港城市大學于欣格教授和清華大學李爽副研究員提出了一種柔性、可完全降解、無需電池的無線植入式傳感平臺。研究團隊通過原創(chuàng)性的“極點移動掃描（pole-moving sweeping）”讀出機制，突破了傳統(tǒng)LC無源傳感在距離和角度上的限制，實現(xiàn)最遠16厘米、寬角度條件下的穩(wěn)定讀數(shù)。結合力學-電磁協(xié)同設計的折疊式傳感結構，該系統(tǒng)在馬腹腔內成功實現(xiàn)了壓力和溫度的在體監(jiān)測，展示了其在真實臨床環(huán)境中的應用潛力。相關成果以“Soft biodegradable implants for long-distance and wide-angle sensing”為題發(fā)表在《Nature》上，第一作者為Yuqun Lan。

研究的起點，來自一個臨床現(xiàn)實：植入體在體內的位置、角度、距離，幾乎不可能被精確控制（圖1a）。傳統(tǒng)無源LC傳感系統(tǒng)依賴固定激勵頻率掃描，一旦讀寫線圈之間的相對位置發(fā)生變化，信號就會迅速衰減，導致頻率峰難以識別。圖1b給出了整個平臺的系統(tǒng)構成：體外讀出端由電感、電容和電阻組成，體內傳感器則是一個完全可降解的LC諧振回路。真正的關鍵在于圖1c——研究團隊發(fā)現(xiàn)，如果不再讓系統(tǒng)“盯著頻率掃”，而是在掃描頻率的同時，讓系統(tǒng)的一個極點隨之移動，就能在噪聲和耦合變化中，始終保留一個清晰、穩(wěn)定的相位“谷值”。這正是“極點移動掃描”機制的核心思想。

圖1：提出臨床中“距離與角度不可控”的核心難題，并引入極點移動掃描讀出機制

在圖2a中，研究人員用耦合模理論對系統(tǒng)進行建模，對比了傳統(tǒng)系統(tǒng)、PT對稱系統(tǒng)、異常點鎖定系統(tǒng)與新方案在極點-零點結構上的差異。以往方案的極點在掃描過程中是“靜止”的，因此對距離和角度變化極其敏感。而在圖2c、2d中，新系統(tǒng)的一個極點會隨掃描頻率動態(tài)移動，并始終靠近傳感器共振位置。這一變化看似微小，卻極大增強了相位響應強度（圖2f、g），即使在弱耦合、遠距離條件下，依然能形成清晰可識別的信號谷。更重要的是，圖2l、m的實驗結果表明：在相同精度要求下，該系統(tǒng)的可讀距離范圍和角度容忍度均顯著擴大。在25 cm距離下，角度可變化至45°仍可穩(wěn)定讀數(shù)，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在10 cm外幾乎完全失效。

圖2：從理論與實驗層面對比新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的讀出穩(wěn)定性與魯棒性

讀出系統(tǒng)解決后，新的挑戰(zhàn)隨之而來：如何在柔性、可降解的前提下，做出高性能傳感器？圖3a展示了一種將力學與電磁設計深度融合的折疊式結構。研究人員將鎂-聚乳酸復合薄膜激光刻蝕成蛇形線圈，通過多次180°扭轉和折疊，在無需焊接的情況下，實現(xiàn)多層串聯(lián)電感結構。有限元分析（圖3b）顯示，這種折疊并不會引入危險的局部應變；而圖3e、f進一步證明，多股蛇形結構不僅降低了拉伸剛度、提高了柔順性，還在高頻條件下降低了電阻損耗，為遠距離無線讀出奠定了結構基礎。

圖3：展示兼顧柔性、可降解與電磁性能的折疊式傳感結構設計

基于該結構，團隊分別構建了應變、壓力和溫度傳感器（圖4a–h）。應變傳感器在0–18%范圍內呈線性響應，而即便讀出距離從6 cm變化到12.6 cm，頻率誤差也僅相當于約1%的應變（圖4d），顯示出系統(tǒng)對距離擾動的強大魯棒性。壓力與溫度傳感器則通過電容變化實現(xiàn)感知，其有效讀出距離可達16 cm，角度容忍范圍擴展至60°。更重要的是，在PBS溶液和大鼠體內實驗中（圖4i、j），傳感器在降解過程中仍能維持穩(wěn)定讀數(shù)數(shù)天至數(shù)周，為“任務完成后自動消失”的植入式應用提供了現(xiàn)實可能。

圖4：應變、壓力、溫度三類傳感器的性能與降解行為驗證

圖5a、b展示了該系統(tǒng)在離體豬心上的應變監(jiān)測實驗，傳感器成功捕捉到不同頻率下的周期性形變信號。隨后，研究團隊搭建了“人體-豬肉”混合模型（圖5c），模擬真實人體呼吸、組織衰減和微小位移。在這一極具挑戰(zhàn)性的條件下，傳統(tǒng)系統(tǒng)幾乎無法識別信號，而新系統(tǒng)在自由呼吸、5 cm組織覆蓋條件下仍可穩(wěn)定讀數(shù)（圖5d–g）。最引人注目的，是圖5h–k所示的馬腹腔在體實驗：研究人員在手術后即時和5小時后，成功監(jiān)測到腹腔壓力和核心體溫的變化，分辨出體位改變和腸道蠕動引起的細微差異。這標志著該技術首次在大動物深部組織中實現(xiàn)了可靠驗證。

圖5：從離體組織到大動物在體實驗，驗證系統(tǒng)在真實環(huán)境中的可靠性

小結

這項研究不僅提出了一種全新的無線讀出機制，更重要的是，它正視并解決了真實臨床環(huán)境中的“不完美條件”。通過極點移動掃描與可降解柔性結構的協(xié)同設計，團隊首次實現(xiàn)了遠距離、寬角度、無需電池的植入式無線傳感，在工程可行性和醫(yī)學安全性之間找到了關鍵平衡點。未來，這一平臺有望成為醫(yī)學影像的重要補充，為已需手術干預的患者提供連續(xù)、精準的深部生理信息，也為下一代“用完即消失”的智能植入器件奠定基礎。