Science：清华大学王鹤龄等开发新型超声贴纸，用于监测术后并发症

近日，西北大学 John Rogers 教授、清华大学王鹤龄副教授及华盛顿大学医学院 Chet Hammill 副教授等在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis 的研究论文。

这项研究开发了一种新型、史无前例的超声贴纸——BioSUM，可以附着器官上并随着身体pH值的变化而改变形状，这可以作为手术后并发症（例如吻合口渗漏）的早期预警信号，帮助临床医生通过简单的超声波设备实时监测患者器官和深层组织的健康状况。

目前还没有很好的方法可以实时检测吻合口渗漏的发生。这些渗漏无法通过成像工具直接观察，即使是最先进、最复杂的计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）也无法检测到它们。当病人出现并发症时，情况往往已经严重得不可控了。

因此，临床上急需开发一种工程方法和一套先进的材料来解决吻合口渗漏的检测问题。这项技术需要达到实时监测、降低成本的要求，并扩大快速、非侵入性评估的可及性，从而改善患者的术后护理。

让不可见变为可见

最近的一些研究证明了生物电子设备在持续、无创地检测与疾病相关的体内参数变化方面的潜力，例如血压、温度、血糖、血氧和体液pH值等，测量方式依赖于生理过程的光学、热和射频等信号。

然而，生物组织是立体的，衰减效应限制了许多检测方法在评估深层组织的应用，而计算机断层扫描（CT）、X射线成像或组织活检，通常是昂贵的、侵入性的，并且无法做到连续的实时监测。在这种情况下，先进的超声成像方法成为研究热点，因为它们易于使用，广泛适用，没有辐射暴露，并且能够在高空间分辨率下探测深层组织。

在这项最新研究中，研究团队开发了一种生物可吸收的、形状自适应的新型材料——BioSUM，这种水凝胶可以响应所处生物环境的pH值的变化而改变其形状，随后超声波成像设备可以实时监测这种形状变化而作出评估。

生物可吸收的形状自适应超声可读材料结构——BioSUM，用于实时监测深层组织中的稳态

超声波成像具有其独特优势——价格便宜，容易获得，便于携带，并且不会使患者暴露在辐射或其他风险中。当然，虽然超声波技术可以定器官的位置、形状和结构，但不能可靠地区分各种体液。例如，在超声成像中，血液和胃液看起来是一样的。

值得注意的是，虽然渗漏液体的声学特性与自然发生的生物液体和周围组织非常相似，但在理化性质上具有特异性，例如pH值不一样。因此，研究团队设计了一种方法来克服超声波技术的局限性——通过使用设计成可被超声波成像读取的微型传感器设备。

具体来说，研究人员使用一种柔性的、对化学反应灵敏的水凝胶材料制作了一种小型、有组织粘性的贴纸。然后，他们在水凝胶的薄层中嵌入了像纸一样薄的金属圆盘。当贴纸遇到酸性液体，例如胃酸，它会膨胀；当贴纸遇到腐蚀性液体，例如胰液，它会收缩。

因此，这一水凝胶材料会随着pH值的变化而膨胀或收缩，嵌入其内部的金属圆盘也会出现相应的变化——要么分开，要么靠得更近。然后，超声波设备可以观察到金属圆盘的这些细微的位置变化，并作出实时监测评估。

BioSUM随着pH值的变化而膨胀或收缩

该论文通讯作者 John Rogers 教授表示，由于金属圆盘的声学特性与周围组织的声学特性有很大不同，因此它们在超声图像中提供了非常强烈的对比。通过这种方式，基本上可以“标记”一个器官进行实时监测。

不仅如此，研究团队还使用生物可吸收材料设计这些贴纸。生物可吸收材料非常符合吻合口渗漏的检测需求——渗漏最可能发生在手术后3-14天。因此，开发一种可以在患者体内持续存在一个月然后被患者的器官组织吸收消化的材料无疑是十分理想的——当它们不再需要时，它们就会自然地、无害地在体内消失。

BioSUM具有生物可吸收特性

改善患者预后

研究团队制作了不同大小的贴纸，最大的直径为12毫米，最小的直径只有4毫米。考虑到每个金属圆盘只有1毫米甚至更小，研究人员意识到临床医生可能很难直接评估超声图像。为了克服这一挑战，研究团队开发了一个软件，可以自动分析图像，以高精度地检测金属圆盘的任何相对运动。此外，研究团队还使用使用声学和机械模拟技术来帮助指导材料和设备布局的优化选择，以确保超声图像的高可视性，即使是位于深层组织中的贴纸。

三种尺寸的BioSUM贴纸

为了评估这些贴纸的功效，研究团队在在小型和大型动物模型上进行了测试。在这些动物实验中，超声波成像始终如一地检测到贴纸的形状变化——即使它位于组织内部10厘米深的地方也是如此。当接触到pH值异常高或低的液体时，贴纸会在几分钟内改变形状。

通过对深层组织的超声成像进行传感

研究团队认为，这种小而灵活的“内观”装置可以在外科手术结束后植入，也可以灵活地通过注射器直接递送到体内特定位置。此外，当吻合口较大时，临床医生可以沿着切口的长度放置一组这些贴纸，以形成pH值检测线，从而精确定位渗漏的位置。

研究团队表示，这虽然只是一个原型产品，但我们可以预想到最终产品，在手术结束时，只需要放置这些小贴纸就可以实现对吻合口渗漏的实时监测。不仅如此，当完成监测工作后，它会被身体吸收而消失，这将极大地改善患者的治疗预后。

接下来，研究团队团队正在探索可以检测内出血或体温变化的贴纸。这个平台可以适用于不同的指标检测，检测pH值的变化是一个很好的起点，这些水凝胶贴纸可以对局部化学、温度或其他临床相关特性的其他变化做出反应，从而扩展到其他类型的检测应用。