能在体内降解的微针来了！新型可植入传感器或颠覆术后检测

本文是专业学术论文解读，不做医疗建议。

过去，想了解移植器官的状态，往往要“反复穿刺”做一系列活检。如今，研究人员巧妙设计了一种留在体内工作的微型传感器，并在完成使命后自行安全降解。

近期，美国达特茅斯学院欧阳伟教授团队开发了一款可编程、可生物吸收的微针传感器阵列，可用于监测器官功能衰竭和移植器官状态等。

在器官移植手术中，医生将该设备放置在患者体内，它可以像电子纹身那样紧密贴合在组织表面。不局限于二维平面，它还能作为原位探针刺破器官表面黏膜，通过微创方式对器官内部微环境直接进行实时、稳定、多通道的健康监测，未来有望避免重复性的有创活检、放射性的计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）检查等。

结果显示，该设备在肾缺血和肠道疾病等病症的动物模型中，实现了连续 7 天以上监测多种关键生化和生理指标，如葡萄糖、乳酸、氧气分压、电解质等，它们对于术后第一周了解患者的器官状态尤为重要。

有意思的是，完成监测任务后，研究人员可启用设计程序将该设备逐步安全降解。也就是说，该设备在完成任务后可安全“消失”，降低了患者二次手术带来的风险和负担。

“它不仅是器官表面的贴附式传感器，更是可消失的、微创介入式器官生化以及生理功能的监测平台。该技术在围手术期和重症监护监测方面具有潜力，尤其是对于捕捉缺血、代谢紊乱或炎症等早期变化尤为关键。”该论文第一作者、达特茅斯学院博士后研究员李湘凌对 DeepTech 表示。（注：围手术期是围绕手术的全过程，包括术前、术中和术后阶段。）

图丨左起：李湘凌、欧阳伟（来源：李湘凌、达特茅斯学院官网）

审稿人对该研究评价称：“该研究填补了围手术期护理中的关键空白，工程创新与转化设计标志着向临床可行、可植入的器官健康诊断技术迈出了重要一步。”

相关论文以《一种用于围手术期器官健康监测的可编程、生物可吸收的电化学微针传感器阵列》（A programmable bioresorbable electrochemical microneedle sensor array for perioperative monitoring of organ health）为题发表在 Nature Biomedical Engineering 上[1]。达特茅斯学院博士后研究员李湘凌是第一作者，欧阳伟教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）

受蜜蜂尾针启发，让微针易于刺入组织，难以脱落

现阶段，临床医生主要通过监测心率、血压和血氧等生命体征，来判断患者器官的相关症状。如果病情严重，还会通过 B 超、CT 和 MRI 等设备进一步检查，以及使用活检来对器官进行最终判断。

长期以来，深部器官在围手术期始终缺乏能够连续、具有原位功能的监测手段，这也导致了并发症的“后知后觉”——往往在患者出现显著症状后才被发现，例如，缺血、代谢紊乱或功能恢复不良等。特别是对于肾移植或肝移植患者来说，及时了解器官的状态有利于患病初期的干预。

然而，要实现这一点并非易事。深部器官表面湿润、蠕动/搏动明显（肠蠕动、肾脏随呼吸位移），传统贴附或直针结构容易滑移、脱落或造成剪切刺激。为解决上述问题，研究人员研发了生物可吸收微针传感器阵列，不仅能定制微针的直径、长度和锐度，还设计了一种向后倒刺的独特结构。

图丨设计概念与系统特性（来源：Nature Biomedical Engineering）

据介绍，该结构的设计灵感来自蜜蜂尾针，其巧妙之处在于力学的不对称性设计：微针易于刺入组织，但却很难脱落。就像蜜蜂蜇人或动物后，尾针可能会留在后者组织上。结果显示，这种结构在三排倒刺微针中的锚定力可提升至 71 倍。

如何在柔软的衬底上加工倒刺结构的可降解微针，不仅是全新的探索更是巨大的挑战。当时，研究人员尝试了很多种方法，包括 4D 打印、磁流变光刻技术以及双光子光聚合等。

然而，这些方法具有不同的局限性：要么只能加工硬性结构，无法在柔性衬底上操作；要么无法在有限面积内实现高密度的微针阵列，因此都难以实现规模化应用。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

基于此，研究团队提出了一种变形耦合的 3D 打印新策略，实现了在柔性衬底上加工高密度的微针倒刺阵列：首先打印出水平倒钩的微针结构，再通过按压的方法让刺向下弯曲形成稳定的倒刺。

李湘凌指出，这种方法可实现大面积加工，目前展示了 6×6，理论上可以做 3D 打印平台大小的尺寸。它不仅可以加工出大量倒刺，而且微针和倒刺的间距都能做得很密集。

让设备自动消失的“魔法”

除了加工方面的挑战，研究团队还面临电子模块的集成问题。为此，他们结合最新的嵌入式电路技术，实现了电子模块的多路复用。在本次研究中针对小动物实验使用了 3×3 阵列（9 个针头），针对大动物可以使用 6×6 阵列（36 个针头）并加工出 32 个通道的开关矩阵，支持对 32 个位点同时进行多模式监测。

在生物安全性方面，该团队借鉴连续性血糖仪针头的涂层技术，使用了具有抗污性能的聚氨酯（PU）和聚乙二醇（PEG）复合涂层。通过结合二者的优势，研究人员在活体大鼠肾脏中，实现了微针阵列可稳定植入 7 天以上。多次实验结果显示，其信号强度通常在 80% 以上，为长期和稳定的信号采集奠定了基础。

目前临床上的金标准是活检，但它需要穿刺器官部位取样，频繁活检给患者带来身心创伤。“相比之下，我们的设备是一种微创、负担小的解决方案。使用后可以在体内自然降解，不会对患者造成二次伤害。”李湘凌表示。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

那么，这种微针阵列是如何在监测任务结束后自我降解的呢？

微针主体材料采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）制成，这种材料可通过水解促进生物吸收。为实现同时监测多种关键指标，微针阵列由不同功能的传感器组成，并在其外部涂覆多种电极材料，例如金（Au）、铂（Pt）、银/氯化银（Ag/AgCl）等。

人体内环境比较复杂，存在各种导电离子。当金与氯离子（如生理盐水中的氯化钠）接触且在通电驱动条件下，会加速变成可溶解的氯金酸根离子。研究团队利用电解原理，当设备通电时通过可编程、可程序控制的设计，提供 1.95 伏以上的电压驱动，使传感针头上的金溶解。

欧阳伟教授解释道：“在微针阵列设备中金是最难降解的物质，其他材料都是已通过医用或美国食品药品监督管理局（FDA）认证的可降解材料。这些材料或金属均能在体内稳定存在。当金溶解后，其他部分可逐步被生物吸收并经体内途径清除。”

推动术后监护从间歇检查走向连续感知

李湘凌此前在中山大学获得博士学位，目前正在达特茅斯学院欧阳伟教授课题组从事博士后研究。研究的重点是开发生物工程医疗设备，尤其是面向老龄化社会需求的微创、连续监测与智能干预型医疗器件。

人口老龄化是全球面临的共同问题，随之而来的是健康监测管理需求显著上升。例如，重大慢性疾病包括糖尿病、高血脂、高血压等代谢性及代谢相关疾病，以及癌症、器官移植围手术期并发症及其术后长期管理等。从某种程度上来说，精准连续监测和智能化干预医疗器件的水平与老年人晚年生活的质量密切相关。

如果能够通过开发先进的设备和技术，对患者病情进行及时、连续的监测与干预，不仅有助于在疾病发生的早期实现精准识别，还可有效阻止疾病的进一步恶化。

李湘凌举例说道：“以糖尿病等慢性疾病为例，严格而持续的血糖监测是实现疾病长期控制的关键。此外，能够准确地监测早期的生物标志物，例如肿瘤细胞相关的核酸，就有可能会防止其形成恶性肿瘤甚至拯救生命。这些都具有很重要的意义，也是我从事该领域研究的主要动力来源。”

本次研究所开发的微针传感器阵列在不增加患者额外负担的前提下，实现了对深部器官多种生化指标的连续监测，且使用后能直接安全地消失，为术中决策和术后早期干预提供了一种更直接、更及时的依据。

该技术可用于监测器官功能衰竭和监测移植器官。在这项研究中，研究人员已经验证了它在肠道代谢紊乱和肾脏缺血情况下的应用，但由于目前动物模型的限制，实验条件还不足以模拟更接近临床的真实环境。

在接下来的研究阶段中，研究人员希望在器官移植方面得到临床方面支持，通过将设备植入体内，监测器官移植过程中生物标志物的变化，并跟踪器官移植后的状态。

需要了解的是，由于人的身体尺寸与动物模型不同，如果将该设备应用于人体需要进一步调整。此外，人体对生物安全和信号稳定性方面的要求更高，需要寻找足够生物相容的材料并提升信号稳定性，来满足临床的实际需求。

此外，该平台还有望扩展至炎症因子、疾病指标或药物监测等。目前，欧阳伟教授研究团队正在该方向探索并已获得初步进展。

相比于在体监测代谢物、离子和组织氧含量的技术更有意义的方向，是监测与人体疾病相关的指标。因为除了代谢物，更重要的指标还有细胞因子和相关蛋白质，能够更加准确地反应移植器官的生理状态。此外，在药物监测方面，例如器官移植后需要使用的抗生素，以及用于判断是否发生感染的标志物等。

更长远地来看，未来这类设备广泛应用于临床，有望彻底改变患者手术后的监护模式。从间歇检测到持续感知，这类“可消失”的监测设备，让我们看到了术后监护方式的更多可能性。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1038/s41551-025-01609-z

运营/排版：何晨龙

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