近日，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队，联合清华大学生物力学所李爽博士、香港城市大学于欣格教授，带来了一项登上国际顶级期刊《Nature》的重磅突破：他们研发出了一种柔性、可完全降解的无线传感平台，不用电池、不用磁体，就能在最远 16 厘米外，稳定读取体内的压力、温度、应变等生理信号，哪怕植入体和读取器之间有角度偏移、位置变化，信号也不会失真！
这项研究以 “Soft biodegradable implants for long-distance and wide-angle sensing” 为题，正式发表于《Nature》，为深部组织的原位监测带来了全新的可能。
临床痛点：深部组织的信号，怎么才能读得准、读得远？
想要精准诊断和治疗疾病，获取体内的生理信号至关重要。
目前我们常用的体内检测手段，比如 MRI、CT、PET、超声这些成像技术，虽然能帮医生看到体内的解剖结构，却很难捕捉到深层组织的动态生理变化 —— 比如术后的腹腔压力变化、心脏的实时应变，这些连续的动态数据，才是术后监护的关键。
植入式器件本来是解决这个问题的好办法：把 tiny 的传感器放到体内，就能原位监测压力、温度这些指标。但传统的植入器件，要么带着电池、芯片、磁体这些不可降解的组件，术后必须二次手术取出，给患者带来额外的伤害；要么是可降解的无源 LC 传感器，却受限于读取距离太短 —— 通常不到 3 厘米，而且稍微有点位置、角度偏移，信号就直接乱了，根本没法用在临床这种没法精准控制位置的场景里。
之前也有研究者尝试过宇称 - 时间（PT）对称的读取系统，想要提升读取距离，但这类技术对传感器和读取器的相对位置要求极高，稍微动一点，标定关系就乱了，在真实的临床环境里根本没法落地。
两大突破：从读取机制到器件结构，解决核心瓶颈
这次研究的核心突破，就是同时解决了无源无线传感的两大老问题：读取距离太短、信号对位置角度太敏感。
1. 全新的 “极点移动扫描” 读取机制，把信号读得又远又稳
研究团队跳出了传统的思路，设计了一种全新的 “极点移动扫描” 读取系统。
传统的读取系统，在扫频的时候，系统的极点是固定不动的，所以一旦耦合变弱、位置变了，信号就直接淹没在噪声里了。而这个新系统，在扫描频率的同时，会同步调整读取器的谐振频率，让系统的一个极点跟着动态移动，始终靠近传感器的共振位置。
这样一来，哪怕耦合率低到 10 的 - 5 次方量级，比传统系统低了 1-2 个量级，也能得到一个清晰、稳定的相位谷值，不管距离怎么变、角度怎么偏，这个信号都不会消失！
（图来源：中国科学院力学研究所）
为了验证这个系统的性能，研究团队搭建了专门的测试平台，借助阻抗分析仪提供激励信号并读取相位响应，在不同距离、角度条件下完成了系统性能的标定。
实验结果惊艳：这个新系统的可读距离最远能到 30 厘米，哪怕在 25 厘米的测量距离下，角度变化 45° 都能稳定读数；而传统的系统，在 10 厘米外就已经完全失效了！哪怕是体内的组织衰减、呼吸带来的微小位移，都根本影响不到它的信号。
（图来源：中国科学院力学研究所）
2. 力学 - 电磁协同的折叠结构，兼顾柔性、可降解与高性能
读取系统的问题解决了，接下来就是传感器本身的难题：怎么在全可降解、柔性的前提下，做出能支持远距离通信的高性能电磁结构？
要知道，可降解的材料本身导电性能就不如铜，而且要做柔性的器件，还不能用焊接这些硬加工的工艺，怎么才能做出足够大的电感、足够小的电阻？
研究团队想到了一个巧妙的办法：力学 - 电磁协同的一体式折叠结构。
首先，研究团队通过紫外激光微加工系统，将镁 - 聚乳酸（Mg-PLA）复合薄膜刻蚀成蛇形线圈与矩形电极的预制结构；随后，他们把蛇形结构的两端做 180° 扭转，然后压成折叠状态，重复这个步骤，就能在不用焊接的情况下，做出多层串联的电感结构！
这种设计太巧妙了：折叠之后，不仅电感大幅提升，而且蛇形结构还保证了器件的柔性，180° 扭转的最大应变也远低于材料的失效应变，根本不会把材料拉断。同时，多股蛇形的设计，还能降低高频下的电阻损耗，刚好适配远距离无线通信的需求！
（图来源：中国科学院力学研究所）
基于这个结构，团队很快做出了应变、压力、温度三种不同的传感器，覆盖了临床最需要的几种生理指标。
从实验室到大动物：真实体内环境，真的能用！
做好了器件，接下来就是最关键的验证：在真实的体内环境里，它真的能稳定工作吗？
首先是离体的验证：研究团队把应变传感器贴在离体的猪心表面，借助机械气泵对心脏进行不同频率的机械加载，模拟心脏的周期性形变。结果传感器完美捕捉到了不同频率下的形变信号，哪怕是微小的心脏跳动，都能精准识别。
为了模拟真实人体的组织衰减和呼吸运动，团队还做了一个 “人体 - 猪肉” 混合模型：把传感器放在人体腹部，盖上 5 厘米厚的猪肉模拟深层组织，然后让志愿者自由呼吸。结果传统的系统在这种情况下根本读不到信号，而这个新系统，哪怕有呼吸的运动伪影，依然能稳定读出信号！
最重磅的，是大动物的体内实验：研究团队把传感器植入到了马的腹腔里，模拟真实的深部组织监测场景。
马的腹腔深度足够深，而且体内的环境复杂，有肠道蠕动、体位变化，根本没法精准控制传感器和读取器的位置 —— 这就是真实临床的场景！
结果呢？传感器完美捕捉到了马的腹腔压力和核心体温的变化：仰卧的时候平均腹腔压力是 3.5 千帕，站起来之后就升到了 5.7 千帕，还能清晰分辨出肠道蠕动带来的微小压力波动；体温也精准捕捉到了麻醉后恢复的 1.8℃的温差，所有数据都稳定、清晰，完全不需要严格的位置控制！
除此之外，团队还验证了器件的降解性能：他们把传感器放在 37℃的 PBS 缓冲液里，借助恒温水浴箱模拟体内的恒温环境，测试降解过程中的信号稳定性。结果显示，采用 POMaC 封装的传感器，在前 11 天里谐振频率仅变化 1.1%，能稳定工作两周以上，完成监测任务之后，就会慢慢在体内完全降解，根本不用二次手术取出！
为了验证生物安全性，团队还做了系统的相容性测试：借助CO₂细胞培养箱完成细胞培养与毒性测试，通过光学显微镜完成植入后的组织学分析，同时利用全自动生化分析仪完成血液化学指标检测，所有结果都证明，这个器件完全安全，不会对身体造成伤害。
这个全新的传感平台，刚好能补上现有医学影像技术的短板：对于腹内高压的重症患者、心脏搭桥术后的病人、脑疾病的重症监护，这些需要连续监测深部组织生理信号的场景，它都能派上大用场。
不用电池、不用取出，植入之后，它就像一个 “隐形医生”，在体内帮你盯着各项生理指标，术后恢复好了，它就自己悄悄降解消失，完美解决了传统植入器件的所有痛点。
论文的第一作者为力学所博士生蓝昱群。通讯作者为力学所苏业旺研究员、香港城市大学于欣格教授和清华大学生物力学与医学工程研究所李爽博士。中国科学院动物所顾奇研究员和博士生郭海涛、中国农业大学李靖教授和朱怡平副教授等、中国科学院理化所吴雨辰研究员和李辉博士、中国科学技术大学高寒飞研究员、以及力学所刘沁园等多位博士生参与了该工作。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院从 0 到 1 原始创新计划和中国科学院交叉学科创新团队等项目的支持。
