4月14日，生物医学工程领域国际顶级期刊《自然-生物医学工程》 (Nature Biomedical Engineering）上刊发我院尹周平教授团队与集成电路学院臧剑锋教授团队合作新成果，题为“An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains（用于连续、无线监测内部组织应变的植入式水凝胶声波晶体）”。我院尹周平教授，集成电路学院臧剑锋教授、唐瀚川副教授，西南大学徐立群教授为共同通讯作者。
近年来，伴随高强度运动、不规律作息及不良饮食习惯的普及，组织损伤和心血管疾病的发病率显著上升。如何实现对人体内部组织状态的连续、精准和无创监测，成为生命健康领域的重大挑战。
为解决上述问题，研究团队提出了一种创新的Metagel传感器，它像是一架植入体内的“水凝胶风琴”：在果冻一样柔软的水凝胶中规则排列的空气孔结构，就像风琴中有序排列的音管。当体内组织发生运动或拉伸时，这架“风琴”会随之变形，改变其声波共鸣的“音调”。体外的超声探头就像聆听的耳朵，能准确捕捉到每一次“音调”的变化，从而实时感知心跳、呼吸、伤口愈合等内部生理活动。无需电池、无需芯片，这架“风琴”悄无声息地演奏着身体的健康旋律，成为了连接医生与体内信号的桥梁。该成果不仅突破了传统电子植入式器械在材料生物相容性、无线传输和可降解性方面的技术瓶颈，也为今后开发更加柔软、安全、智能的体内传感器提供了全新思路。
超凝胶应变传感器由柔软的水凝胶和插入其中的密封空气孔结构组成，通过外部超声探头检测超凝胶的声学带隙频移来检测应变（如图）。空气孔结构的尺寸和形状与超凝胶的声学带隙相关联，在无线传感场景中，可以实现对0.3%微小应变的灵敏检测，同时在2000次的循环拉伸中保持了稳定的频移监测。
超凝胶应变传感器的系统设计
在离体动物组织上，超凝胶传感器实现了对肌腱拉伸，外部敲击，肌腱损伤，猪皮伤口以及心脏跳动的频率和幅度的无线连续监测，验证了超凝胶应变传感器在生物医学领域广泛的应用场景。得益于超凝胶传感器的全水凝胶设计，传感器在生物相容性和生物可降解性方面表现出色。超凝胶传感器在植入后12周的时间内可自然降解，无需二次手术进行取出。同时，超凝胶传感器在植入活体巴马猪一个月的时间里，保持了稳定的肌腱拉伸监测功能。将超凝胶传感器植入在活体巴马猪的受损肌腱上，则可以连续无线地监测肌腱的康复情况。另外，超凝胶传感器也可以用于连续无线地监测呼吸、心跳等重要生理活动所产生的机械应变信号。该技术有望应用于运动损伤康复、术后监测等多个场景，为精准医疗提供全新工具。
尹周平教授团队与臧剑锋教授团队在柔性传感等领域长期合作，开展跨学科研究，相关工作先后得到了国家自然科学基金委卓越研究群体项目（No. 52188102）、国家自然科学基金委重点国际合作项目（No. 51820105008）、湖北省基础科学中心项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01374-z
学院微信公众号
