无需电池！科学家开发出新型无线实时监测动脉健康的可植入设备
来源： 中国生物技术网 2022-05-19 21:47
来自美国佐治亚理工学院的研究团队开发出一种完全可植入的血管电子系统，无需电池或电路即可无线实时监测血流动力学。该系统为全面监测动脉健康提供了机会。
心血管疾病是人类健康的“头号杀手”，常年霸榜全球发病率和死亡率排行榜之首，仅2020年一年就死亡1860万人，占全球全部死亡人数的30%以上。
对于高风险人群而言，持续监测血管系统的血流动力学可以跟踪心血管疾病的进展以及时采取治疗，甚至可以拯救生命。然而，像高血压、动脉粥样硬化和动脉瘤这样的致命疾病发生在直径从几毫米到几厘米且曲率不等的动脉中；而现有的血流动力学监测方法，包括血管造影、磁共振成像、多普勒超声和导管检查临床设备都受到了体积、刚度和实用性的限制，只能提供有限和重复的监测时间，以及非常局部的血管健康视图；而且这些设备成本高昂，还可能会对糖尿病患者带来其他不良的健康后果。
总之，动脉传感血管电子技术的发展一直受到可植入性和可操作性的限制。
发表在《Science Advances》上的一项最研究中，来自美国佐治亚理工学院的研究团队开发出一种完全可植入的血管电子系统，无需电池或电路即可无线实时监测血流动力学。该系统为全面监测动脉健康提供了机会。
这个血管电子系统由一个集成了柔性传感器的无线智能支架平台组成，通过电感耦合在明显大于现有血管传感器的通信距离处进行操作，可以实时监测压力、脉搏率和流量在内的血流动力学，并将数据无线传输到体外的数据采集系统；而且由于体积超小超薄，因此可以使用可植入导管在体内任何地方传输数据。
当该设备安装在动脉粥样硬化患者体内时，除了像传统的支架一样扩大并防止动脉变窄、恢复正常的血流的同时，还将提供源源不断的数据传输。
无线可植入设备平台很容易适应多种传感器以监测更多参数，例如血管应变、温度和生物标志物等，还允许使用特定疾病的设备。该电子血管系统为全面监测血流动力学提供了可能。
该研究通讯作者、生物医学工程系研究员Woon-Hong Yeo说：“基本上，你可以把这个植入式血管电子系统放在体内的任何地方。此外，除了作为一种植入式传感器系统，它还可以用作可穿戴系统。想想智能手表，它的体积有多少是由电路或电池占据的？如果你去除所有这些，那么就剩下一个比典型的创可贴更薄的设备，一个几乎看不见的健康监视器，你可以把它‘戴’在任何地方。”
随后，该团队在一项活体兔子实验上测试了他们的无线植入系统。无线设备从左颈动脉的血管鞘插入点被引导，穿过主动脉弓，通过腹主动脉，进入右髂动脉。主动脉直径为4.5毫米，右髂动脉直径为1.93毫米，从而突出了无线设备在狭窄和弯曲的动脉中前进的能力。此外，第二个无线设备可以被引导绕过一个急转弯，进入直径为1.53毫米的左肾动脉，这表明该设备在高度狭窄的动脉中进行传感的潜力。
无论如何，这是一个阶段性的突破。研究人员表示，在推进基于印刷技术的纳米膜传感器和生物电子技术的无线可持续监测血管健康方面，还有大量工作要做。
总体而言，该研究为植入式血管电子系统和血流动力学的全面无线监测提供了技术框架。
Yeo说：“我们相信，我们开发的机械、材料和电气设计原则，以及由此产生的工程和生物传感框架，将推动植入电子和生物医学系统领域的发展；而且，我们获得的见解和知识将适用于生物医学科学和工程中的其他生理过程和挑战。”
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