指尖上的植入式O2傳感器

人體的每個部位都需要氧氣(O2)維持生理功能、產(chǎn)生能量和發(fā)揮作用。這對器官移植后顯得尤其重要，因為新器官需要迅速建立血液供應(yīng)，并獲得足夠的O2，以便在新的宿主體內(nèi)開始良好地運(yùn)轉(zhuǎn)。否則，移植可能會失敗。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley，簡稱：UC Berkeley)的工程師開發(fā)出一款超聲波供電的植入式微型O2傳感器和用于雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠渴瞻l(fā)器。該傳感器可以檢測器官從體內(nèi)獲得的氧氣量，并在移植器官面臨危險時，向醫(yī)生發(fā)出早期預(yù)警。未來，該傳感器甚至可以用于測量多種其它重要的生物學(xué)參數(shù)。

超聲波供電的無線O2監(jiān)測系統(tǒng)

光譜法測量氧含量，超聲波傳輸數(shù)據(jù)

加州大學(xué)伯克利分校和陳扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的Michel Maharbiz表示：“測量體內(nèi)參數(shù)非常困難。當(dāng)需要探測的不是可見結(jié)構(gòu)，而是組織內(nèi)分子(例如O2)的數(shù)量時，尤其困難。”

目前沒有任何成像技術(shù)可以直接呈現(xiàn)某器官接收的氧氣量。其它測量方法也受到限制，比如需要與器官有線連接，只能在接近皮膚的地方進(jìn)行觀察，或者無法提供實時數(shù)據(jù)等。Maharbiz和他的團(tuán)隊利用專業(yè)知識制造出能夠與外界通訊的植入式微型O2傳感器，為解決該問題提供了一條新途徑。該傳感器長度不到0.5厘米，比普通瓢蟲還小，可以直接放置在器官上。

該團(tuán)隊使用超聲波(一種醫(yī)學(xué)上用于成像的常規(guī)高頻聲波)為傳感器提供動力并傳輸數(shù)據(jù)信息。與光波不同，超聲波通過組織時很容易傳播，甚至可以實現(xiàn)與人體深處植入物的數(shù)據(jù)通訊。

這款微型O2傳感器的主要構(gòu)成為：壓電晶體(750μm x 750μm x 750μm)、μLED光源、濾光片、帶有光檢測器的定制集成電路、具有生物相容性的O2傳感薄膜。該薄膜主要由聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成，其中包含二氧化硅顆粒和表面吸附的釕染料。在~465nm激發(fā)時，釕染料發(fā)出光的峰值強(qiáng)度為~621nm。激發(fā)的釕染料與O2分子發(fā)生碰撞猝滅，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度和壽命降低，然后通過帶有光檢測器的定制集成電路測量出氧含量。

植入式O2傳感器的工作原理和光學(xué)特性

“該項研究成果展示了如何使用超聲波結(jié)合非常巧妙的O2傳感技術(shù)，來設(shè)計能夠深入到組織中的無線植入式傳感器，進(jìn)而從器官中持續(xù)獲取數(shù)據(jù)?！盡aharbiz說。

穿透皮膚，實現(xiàn)組織深處的測量

發(fā)表在《自然生物技術(shù)》(Nature Biotechnology)上的研究中，研究人員展示了新型器件植入羊體內(nèi)后有效工作的場景，這款新型傳感器提供了與有線探頭相似的讀數(shù)，但不需要采用有線連接方式。他們還通過10厘米的豬肌肉測量，展示了該傳感器如何在組織深處發(fā)揮作用。

在常氧、高氧和低氧的情況下通過手術(shù)植入無線O2傳感器并進(jìn)行記錄結(jié)果

盡管將這些成功的測試轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，仍有大量工作要做，但研究人員對微型O2傳感器的效果持樂觀態(tài)度?！霸搨鞲衅鞯囊豁棟撛趹?yīng)用是監(jiān)測器官移植，因為在器官移植后的幾個月內(nèi)，可能會發(fā)生血管并發(fā)癥，而這些并發(fā)癥可能導(dǎo)致移植物功能障礙?！辈┦亢笱芯繂TSoner Sonmezoglu介紹說，他負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)將O2傳感技術(shù)整合到器件中，并設(shè)計了控制芯片和讀出器件。

2019年，全球每小時進(jìn)行17.5例器官移植。更密切地監(jiān)視這些器官的狀態(tài)可以幫助醫(yī)生在情況嚴(yán)重之前發(fā)現(xiàn)問題，并采取重要的救生干預(yù)措施。

通過調(diào)整傳感器的傳感薄膜可以測量其它重要的生物指標(biāo)，研究人員相信他們開發(fā)的傳感器可能會有許多潛在應(yīng)用。Sonmezoglu解釋說：“通過改進(jìn)我們的O2傳感器測量平臺，研究人員可以測量pH值、活性氧、葡萄糖或二氧化碳等。此外，如果我們借助先進(jìn)封裝技術(shù)使其尺寸更小，則可以想象能夠用針或通過腹腔鏡手術(shù)將其置入體內(nèi)，從而使植入過程更加容易?！?/p>