微针，最新Nature大子刊！

在大型外科手术和器官移植过程中，器官缺血、代谢紊乱、术后排异以及肠道功能障碍等并发症往往并非“突然发生”，而是经历了一个缓慢演化却难以及时捕捉的过程。传统围手术期监测主要依赖心电、血压、血氧等生命体征，以及间断性的血液化验和影像学检查，但这些方法要么只能反映全身状态，要么存在时间滞后，难以精准感知深部器官内部正在发生的局部病理变化。如何在不增加二次手术负担的前提下，实现对肾脏、肠道等深部器官连续、实时、空间分辨的生化监测，一直是临床医学和生物电子领域的核心难题。

今日，达特茅斯学院欧阳伟教授团队提出了一种可编程自溶解的生物可吸收电化学微针传感系统。该系统通过3D打印构建带倒刺结构的柔性微针阵列，可稳定锚定在器官表面并深入实质组织，实时监测氧分压、电解质、代谢物及电生理信号；同时结合可卷绕电子缝线与体表无线模块，实现多位点、长期数据采集。更重要的是，装置在完成监测任务后可被电信号触发“自毁”，最终在体内完全降解，无需二次取出，为围手术期器官健康评估提供了一种全新的技术路径。相关成果以“A programmable bioresorbable electrochemical microneedle sensor array for perioperative monitoring of organ health”为题发表在《Nature Biomedical Engineering》上，第一作者为李湘凌博士。

欧阳伟教授

研究整体设计如图1a所示，这一系统并非单一植入器件，而是由体内可吸收微针阵列、体表无线电子模块以及可卷绕电子缝线三部分协同构成。微针阵列被直接固定在肾脏或肠道等目标器官表面，负责感知局部生化信号；电子缝线像普通外科缝合线一样完成组织固定，同时内部集成多通道电连接；体表模块则实现信号处理与无线传输。监测完成后，系统可通过电触发启动降解过程，整个植入物最终在体内“消失”（图1a、1g）。从结构上看，微针阵列是整个系统的核心。图1b、1c展示了由PLGA构成的柔性微针阵列，其针体表面集成金、铂、Ag/AgCl等电极材料，并通过倒刺结构牢牢锚定在器官组织中。这种设计不仅使微针能够稳定插入约1 mm深的实质组织，还显著提升了抗脱落能力，为长时间原位监测提供了基础。

在信号采集方面，研究团队构建了最多可达32通道的多模态传感架构（图1d）。通过不同功能化涂层，单个微针可分别用于检测葡萄糖、乳酸、尿酸、氧分压、电解质离子以及肌电信号，实现真正意义上的多参数同步监测。与传统只能监测单一物理量的植入设备相比，该系统能够从代谢、离子平衡和电生理多个维度刻画器官状态。为了避免体内复杂布线和刚性连接带来的组织刺激，研究团队提出了“电子缝线”概念。图1e、1f显示，这种缝线可在植入前被卷绕成细线状，在体内展开后连接微针阵列与体表模块，不仅满足外科操作习惯，还能在术后随组织愈合自然降解。

图1：系统整体设计与工作原理：可吸收微针阵列、电子缝线与体表无线模块协同实现多参数器官监测与自溶解

图2详细展示了微针阵列的制造过程。研究采用3D打印与形变耦合工艺，先打印带水平倒刺的微针，再通过模具压制形成真正的“倒钩”结构（图2a–d），最终复制到可吸收PLGA材料中。该工艺摆脱了传统光刻流程，实现了不同针长、不同结构的高度可编程制造，为复杂器官形态的精准适配提供了可能。

图2：基于3D打印与形变耦合的倒刺微针阵列制造流程

在力学性能测试中，倒刺结构展现出显著优势。如图3所示，带倒刺微针在组织中的拔出力相比普通微针提高一个数量级以上，在活体肾脏中可稳定保持7天以上，且在剧烈运动模拟下仍未发生明显位移（图3g、3h）。这为长期连续监测奠定了可靠的机械基础。一个极具突破性的设计在于电触发自溶解机制。如图3i–k所示，当施加特定电压后，微针表面的金属电极发生快速电化学腐蚀，暴露内部可降解材料，装置随即启动整体生物降解过程。动物实验显示，触发后数周内微针阵列和电子缝线即可完全吸收（图3l–n），避免了二次手术风险。

图3：微针阵列的组织锚定性能、电触发溶解机制及体内降解过程

图4系统展示了该微针阵列在多种关键生化与电生理信号监测方面的核心传感能力。通过在微针尖端引入离子选择性膜、酶功能化层及抗生物污染涂层，单根微针即可分别实现对K⁺、Na⁺、pH、葡萄糖、乳酸、尿酸以及组织氧分压的稳定检测。实验结果表明，这些传感器在生理相关浓度范围内响应快速、线性良好，且在模拟肾组织环境中连续工作两周内信号漂移极小，满足围手术期长期监测需求。同时，基于低阻抗复合电极结构的微针还能稳定记录毫伏量级的器官电生理信号，为系统实现多参数、原位、连续的器官功能评估提供了关键支撑。

图4：多种生化与电生理微针传感器的结构与性能表征

在功能验证方面，图5展示了系统在肾脏缺血模型中的应用。通过周期性阻断肾血管，研究人员实时监测到肾组织氧分压迅速下降，而乳酸和尿酸浓度持续累积，揭示了缺血与再灌注过程中代谢变化的时间差异（图5b）。进一步的多点空间映射还显示，不同区域肾皮质的氧合状态存在显著异质性（图5c）。此外，系统还被用于术后肠道功能监测。通过调整微针长度，装置可分别插入肠壁或肠腔，实时监测葡萄糖、电解质吸收过程以及肠道肌电活动，成功捕捉到营养吸收与蠕动功能变化，为术后并发症早期预警提供了新工具。

图5：系统在急性与慢性肾缺血模型中的实时监测与空间映射应用

小结

这项研究首次将高精度3D打印微针、生物可吸收电子器件与多参数电化学传感整合为一体，实现了对深部器官在围手术期内的连续、空间分辨生化监测。通过可编程自溶解设计，系统在完成使命后可安全“退场”，为临床应用扫清了长期植入的关键障碍。未来，随着传感种类和抗污染策略的进一步升级，这类“会消失的器官监测器”有望走向临床，成为精准围手术期医学和重症监护的重要技术支撑。