傳統顱內監測的挑戰與局限每年，全球有超過一千萬名患者需要接受侵入性的顱內監測，以應對像是創傷性腦損傷（TBI）、腦積水和顱內高壓等危急狀況。在這些情況下，即時的生理數據對於患者的存活和神經系統預後至關重要。然而，現有的監測技術存在著諸多限制。傳統的有線臨床儀器雖然精確，但經皮引線的使用容易引起感染，限制患者的活動，並且在移除時可能需要額外的手術，增加併發症的風險。無線植入式設備雖然提供了更大的操作自由度，但往往面臨檢測範圍有限、降解效果不佳以及難以縮小尺寸等問題。## 超音波「超材料凝膠」的創新設計
為了解決上述問題，華中科技大學的研究團隊在臧劍鋒教授的帶領下，開發出一種可注射、可生物降解且無線的「超材料凝膠」（metagel）感測器，用於超音波監測顱內信號。這項研究成果發表在《Nature》期刊上，為顱內監測領域帶來了革命性的突破。
這種超材料凝膠感測器是一種邊長僅 2 毫米的立方體，由可生物降解且對刺激敏感的水凝膠以及週期性排列的空氣柱組成，具有特定的聲學反射頻譜。透過穿刺針將其植入顱內空間後，該設備能夠根據生理環境的變化而變形，進而導致反射超音波的峰值頻率發生偏移。這些頻率偏移可以透過外部超音波探頭進行無線測量，從而實現對顱內壓、溫度、酸鹼度和血流等多個參數的監測。
「超材料凝膠」設計的獨特優勢
可控注射：
傳統水凝膠依賴於原位交聯，容易導致形狀喪失。超材料凝膠則採用預製的固體立方體結構，確保注射過程中的形狀穩定性。
生物相容性與生物降解性：
超材料凝膠由可生物降解的材料製成，植入後可安全降解，無需二次手術移除，降低了醫源性風險。研究顯示，植入後 10 週內未觀察到明顯的星形膠質細胞增生或小膠質細胞活化，血清細胞因子譜也顯示促炎標記物維持在正常範圍內，證實了其良好的生物相容性。
多參數監測：
超材料凝膠能夠同時檢測顱內壓、溫度、酸鹼度和血流等多個生理參數，為醫生提供更全面的信息。
無線操作：
無線設計避免了有線連接可能引起的感染和活動限制，提高了患者的舒適度和便利性。
高精度：
測試結果表明，超材料凝膠對壓力、溫度和酸鹼度的變化表現出高度線性的超音波頻率響應，精度分別達到 0.1 mmHg、0.1 °C 和 0.0012。
深層檢測：
該感測器可以實現 10 公分的檢測深度，滿足顱內監測的需求。
長期監測：
動物實驗表明，超材料凝膠的形狀和位置在植入後約 3-4 週內保持穩定，5 週後開始明顯降解，並在 18 週內幾乎完全降解。
動物實驗的積極成果
研究團隊在老鼠和豬身上進行了動物實驗，結果顯示超材料凝膠具有良好的多參數感測性能，與傳統的非可降解有線臨床基準相當。在體內實驗中，超材料凝膠能夠提供高度精確的無線顱內生物標記物監測，甚至超越了臨床植入式顱內壓探針的準確性。此外，超材料凝膠在監測和降解週期內引起的免疫反應極小，不會引起血液系統紊亂或全身性炎症反應。
面臨的挑戰與臨床前景
儘管超材料凝膠在顱內監測領域展現出巨大的潛力，但要將其轉化為臨床應用，仍有一些挑戰需要克服：
1. 降解速率的個體差異： 個體間的生物學變異性（如 pH 值、酶活性）可能影響超材料凝膠的降解速率，導致信號過早丟失或殘留碎片。
2. 高頻超音波的衰減：
為了提高超音波的靈敏度，研究採用了約 10 MHz 的超音波探頭，但高頻超音波在穿透深層組織時容易衰減。
3. 運動偽影的影響：
患者的運動可能產生偽影，影響測量結果的準確性。
為了解決這些問題，研究人員正在積極探索以下解決方案：
- 開發能夠動態調整參數的即時校準演算法，例如 LMS 自適應濾波和卷積神經網路（CNN），以減少運動偽影和組織異質性的影響。
- 利用壓電聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物、具有柔性聚合物的壓電陶瓷、基於凝膠或彈性體的耦合層以及具有定制低頻特性的聲學透鏡等技術，設計具有高靈敏度的低頻超音波檢測方法，以實現深層腦部監測。
- 探索聲學透鏡或基於凝膠的耦合層，以將超音波聚焦穿過顱骨，並減少超音波衰減。
結論與展望
總體而言，超音波超材料凝膠感測器代表了顱內監測領域的一項重大突破，它結合了生物可降解性、多路復用感測和無線操作等優勢，為微創、低風險的神經監護開闢了新的途徑。隨著降解動力學和超音波衰減等問題的逐步解決，這項創新技術有望轉化為臨床治療和智慧醫療，為全球數百萬神經系統疾病患者帶來福音。此外，超材料凝膠的應用場景不僅限於顱內監測，未來還有望擴展到其他領域，例如腫瘤監測、藥物傳輸和組織工程等。
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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: November 3, 2025