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“高血压”或“低血糖”等短语的普遍存在不仅表明它们已融入我们个人对健康的看法，而且还强调了能够进行测量它们的医疗技术的社会重要性。在现代医学中，能够监测细胞和器官生物变化的设备对于理解、诊断和管理疾病至关重要。然而，当前的监测设备存在许多局限性，特别是那些旨在检测组织深处变化的设备。例如，需要克服高成本、侵入性和缺乏实时反馈的问题，以实现疾病的早期检测和治疗。
鉴于此，美国西北大学John A. Rogers院士、清华大学王禾翎、美国华盛顿大学Chet W. Hammill等人报道了一种使用植入物进行监测的创新方法，该植入物称为生物可吸收、形状自适应、超声可读材料结构（bioresorbable, shape-adaptive, ultrasound-readable materials structure, BioSUM）。这种设备可以在手术后对深层组织的变化进行实时监测。BioSUM 是一种毫米级监测设备。它的形式简单，但功能复杂。该装置由嵌入 pH 响应水凝胶基质中的小金属盘组成，植入体内，旨在监测深层组织的稳态。Bio-SUM 的薄而柔韧的特性赋予其形状适应性，使其可以卷成管子并在腹腔镜手术期间通过套管针分流、缝合到组织或使用粘合剂直接放置在感兴趣的表面上。金属盘作为视觉指示器，可以通过超声波轻松检测到，并且无论设备在植入时如何定向，其对称的圆形分布都可以进行识别。与许多医疗植入物在达到目的后需要额外的程序来移除装置不同，BioSUM 的金属盘和水凝胶基质是可生物吸收的，无需取回装置或装置的任何残留物。胃肠道渗漏可能是吻合手术（涉及连接管状结构）的并发症，导致液体通过腹膜腔扩散并造成器官损伤。当 BioSUM 感应到 pH 值变化时（例如胃肠道泄漏的情况），水凝胶基质的化学成分会使设备膨胀。利用叔胺和羧酸的质子化行为，对构成 BioSUM 的聚合物进行微调，以响应不同的 pH 变化。这导致 BioSUM 中的金属盘按预期散开，可以通过传统超声波连续监测。研究人员通过手术将BioSUM缝合在大鼠和猪的胃肠器官上14天，证明了其稳定性。然后，诱导胃肠道渗漏，研究人员可以10 分钟内在大鼠和30 分钟内在猪内检测到金属盘几何形状的变化。从超声成像中收集的信息揭示了泄漏的存在和程度，因此作者认为该设备可用于术后监测。外科医生只需在伤口闭合过程中将 BioSUM 放置在组织上，然后放心地将患者送回家进行康复。普通公众可以使用手持式超声设备，使患者能够在家中监测植入的 BioSUM。通过将超声图像处理软件纳入工作流程中，或许通过自动特征检测或人工智能，患者可以轻松检测术后并发症并返回医院。尽管术后监测是其使用的实际应用（实际上可能是该技术最初实施的方式），但 BioSUM 是一项重要的平台技术。水凝胶基质能够响应 pH 变化而膨胀，可以针对不同的 pH 范围进行调整。因此，研究人员创建了三个版本的 BioSUM，展示了在三种不同环境中运行的能力：一个版本运行并检测胃 pH 范围内的泄漏，另一个版本检测肠道的泄漏，另一个版本检测胰腺的泄漏。尽管 BioSUM 仅被证明可以检测泄漏，但 BioSUM 似乎非常适合其他监测场景，例如肠易激综合征患者肠道炎症或突发，或败血症，前提是该技术适用于此类目的。假设水凝胶基质被换成一种完全不同的刺激反应性聚合物。通过这种方式，该设备可以对其他线索做出反应，例如生物分子（例如药物代谢产物或抗体积累）或病原体（例如细菌或病毒）。作为一种生物传感器，该设备可以监测身体对药物的反应，消除多次侵入性抽血的需要，也可以在资源有限的环境中跟踪感染的发生。考虑到设备应用的多种可能性，对持续的家庭健康监测需求进行更深入的调查可能会发现最有希望加速转化的应用。满足社会对精准、个性化、便捷医疗保健需求的监测技术正在兴起。BioSUM 在当前的迭代中引入了一种平台技术，该技术有可能适应一系列新兴监测工具，例如基于胶囊的诊断和眼科成像技术，从而增强了对疾病的理解、诊断和管理方式。Liu et al., Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis. Science 383, 1096–1103 (2024)DOI: 10.1126/science.adk9880https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9880王禾翎，副研究员，本科、博士毕业于清华大学，2015-2020年于美国西北大学黄永刚院士课题组从事博士后研究，入选2021年度海外优青。目前共发表文章50余篇。作为第一、共同第一、通讯作者发表的文章包括Nature (1)、Nature Electronics (1)、Nature Biomedical Engineering (1)、Nature Communications (2)、Science Advances (2)、PNAS (3)、JMPS (5)、ACS Nano (2)、Advanced Functional Materials (1)。研究方向为形状可编程技术，包括该技术的力学基础理论及在可编程电子器件与超表面等方面的应用。
