华中大臧剑锋/唐瀚川团队《Sci. Adv.》：全水凝胶的“超声超凝胶贴片”（USMP）

胃漏是胃部手术后可能发生的严重并发症。胃液经手术创口或吻合口进入腹腔后，可能引发感染并损伤周围组织，及早发现对后续干预十分关键。但胃漏早期信号并不明显，临床检查通常在患者出现症状之后才开展。超声检查便携、无电离辐射，然而少量胃液渗漏本身缺乏鲜明的成像特征，难以直接辨认。如何让体内的微小环境变化形成清晰可读的超声信号，同时让植入器件适应胃壁的柔软与运动，是研究着力解决的关键问题。

据此，华中科技大学臧剑锋教授、唐瀚川副教授团队提出的方案如图1(A、B)所示：一枚全水凝胶的“超声超凝胶贴片”（ultrasonic metagel patch，USMP）。在水凝胶内部封装了密集排布、形似树木年轮的同心环状微小空气腔，利用空气与水凝胶之间显著的声阻抗差异产生强烈超声反射，使这枚柔软的贴片在B超图像中呈现三个彼此分离的高回声区。当胃液渗漏使局部酸度升高时，水凝胶网络中的叔胺基团发生质子化并吸水膨胀，三个亮区之间的距离随之增大 - 局部化学环境的变化，就这样被转化为体外可读取的几何尺寸变化。

贴片无需植入电池、芯片或金属反射片，即可实现被动超声读出。同心环结构还提高了读数对探头位置的适应性：在探头横向移动与倾斜条件下，测得的直径变化小于5%；探测距离由2厘米增至5厘米时，读数变化小于2%。所用双网络水凝胶杨氏模量约140千帕，断裂前可承受约232%的拉伸应变，在模拟胃液中浸泡12小时后仍保持结构完整；体外向贴片表面滴加0.25毫升模拟胃液，30分钟内即可引起超过10%的相对尺寸变化，在pH约2.0的区间还可分辨0.1的pH差异。

2026年11月11日, 相关工作以 “A fully hydrogel implantable patch for in situ ultrasonic monitoring of gastric leakage” 发表在Science Advances上。华中科技大学集成电路学院博士毕业生田野、博士后李纳、博士生潘章琪为共同第一作者，唐瀚川副教授、臧剑锋教授为共同通讯作者，华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉市自然科学基金、中国科协青年人才托举工程及华中科技大学交叉研究支持计划等项目资助。

图文介绍

该贴片可直接贴附于胃的外表面, 基体采用P (DMAEMA‑co‑DPAEMA)/PVA 双网络 pH 响应水凝胶，断裂拉伸应变高达232%，既可以在酸性环境下产生大幅度溶胀形变，又能够维持自身结构完整。水凝胶内部嵌入年轮式同心圆气室阵列，依靠空气‑水凝胶之间的声阻抗失配产生超声背散射，在超声影像中形成三处标志性高回声区域；胃漏发生时酸性胃液造成局部 pH 下降，水凝胶发生溶胀，超声图像中回声区域间距随之改变，借助临床普通超声设备，就能无线读取贴片形变，实现胃漏实时监测。

图1. 用于胃漏监测的 USMP 设计。（A）贴片经缝合固定于胃外壁；（B）胃漏发生前后，体外超声图像中三个特征亮区的间距由 L0 增大至 L0+ΔL，局部酸碱环境变化由此转化为可从体外读取的尺寸变化；C) 为酸响应双网络；D) 为酸致直径变化；E) 为凝胶柔软与伸展照片；F) 为树木年轮式空气腔阵列及几何参数；G) 为4 MHz声波反向散射模拟；H) 为不同材料的频率反射特征；I) 比较软凝胶、USMP与金属片的超声图像。

体外测试显示，传感器可以分辨低至0.1 的 pH 差值，仅0.25 mL 模拟胃液就可触发明显形变；对比传统单网络水凝胶，双网络材料在模拟胃液浸泡后仍保持结构完整。水凝胶具备水解可降解特性，经推算在人体 37 ℃条件下预估降解时间约526 天。

图2. USMP 的设计与制备。A) 为逐步降低pH的直径变化；B) 为pH 2.0–5.0下8 h溶胀动力学；C) 为0.1 pH差异的分辨能力；D) 为模拟胃液用量与溶胀关系；E) 对比单网络和双网络模量与拉伸；F) 比较模拟胃液浸泡12 h后结构；G、H) 为95 ℃缓冲液中20天的外观及剩余干质量。

仿真与超声成像表征表明，在4.2‑7.1 MHz成像频段，贴片的三处高回声信号清晰可辨，超声测量的溶胀数据和光学测量结果高度相关，相关系数达0.986。即便超声探头发生偏移、倾斜，或是探测深度处于 2‑5 cm 范围，测量误差小于5%；埋入猪肉组织16 cm 深度仍可识别特征信号，抗干扰能力强，支持深部组织检测。

图3. USMP 的超声表征。A) 为三个亮区的超声定位；B) 为pH变化与直径关系；C、D) 为不同pH下8 h的超声图像与膨胀曲线；E、F) 为0.1 pH差异响应；G、H) 为探头横移和倾斜影响；I) 为2–5 cm成像深度下的直径读数。

研究从细胞和动物层面完成生物相容性验证：体外 L‑929 成纤维细胞实验证明水凝胶无细胞毒性；大鼠体内为期 6 周植入实验中，血常规、生化指标均无异常，植入部位胃壁无损伤、无明显炎症，证实USMP 拥有优异的体内生物安全性。

图4. USMP 用于体内植入的生物相容性。A) 为L-929成纤维细胞在24–96 h的染色图；B) 为细胞存活率；C) 为大鼠植入后6周内血常规与血生化；D) 为胃壁植入部位的Masson及H&E组织切片。

新西兰兔活体实验进一步验证器件性能：发生胃漏后贴片溶胀，直径最大增幅可达26%。7 天长期植入过程中，无泄漏状态下贴片尺寸波动＜3%，有效降低假阳性；在植入第 7 天人工诱发胃穿孔，依旧能检测到22%的直径膨胀。多次重复实验证明，胃漏发生后的60 分钟内，贴片膨胀即可超过 15%，可在术后 7 天高危窗口内稳定完成在体监测。

图5. 兔模型中利用 USMP 超声监测胃漏。A) 为胃壁植入与人工穿孔；B) 为穿过腹壁采集的三强回波超声图；C) 为回波区与凝胶、胃壁的亮度差；D、E) 为7天血液检测；F、G) 为植入100 min后诱导胃漏的实时响应；H、I) 为健康状态7天尺寸稳定性；J、K) 为第7天诱导胃漏后的响应。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef2310

相关进展

华科大臧剑锋教授、NTU陈晓东教授等 Nature：“超声超构凝胶”传感器 →用于无线监测颅内信号

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