"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种创新的超声“创可贴”，旨在通过传统超声设备实现对深部组织的实时监测。这种软性水凝胶贴纸内含生物可降解的金属盘，能够响应体内pH值的变化。贴纸的形状随着pH的变化发生改变，这一变化能通过超声成像显现，提供关于术后并发症（如吻合口漏）的早期预警。该技术具有重要临床意义，因为目前尚无可靠的非侵入性方法能够检测吻合口漏。通过这种超声贴纸，医生能够在术后早期发现漏液问题，从而进行及时干预，降低并发症的发生率和死亡率。此外，该设备在患者康复后会自然降解，避免了传统植入物需要手术取出的麻烦。在动物模型中，研究团队验证了该设备在胃、小肠和胰腺等器官上的应用效果，发现其能够在不同pH值的液体接触后迅速膨胀，改变尺寸并通过超声成像清晰显示。通过超声图像分析，能够准确监测到深部组织的pH变化，为术后并发症的检测和治疗提供新的解决方案。 |
由西北大学和华盛顿大学医学院的研究人员联合开发的一种新型超声贴纸，使临床医生能够通过简单的超声设备监测患者器官和深部组织的健康状况。这种软性、微小的贴纸能响应体内pH值的变化，从而为术后并发症（如吻合口漏）提供早期预警。
创新贴纸的工作原理
这款贴纸通过附着在器官上，当器官出现异常液体泄漏时，其形状会发生变化。通过超声成像，临床医生能够实时观察这些形状变化。这一创新设备为检测吻合口漏提供了可能，目前尚没有任何现有方法能够可靠地、非侵入性地检测吻合口漏——这一生命威胁性的病症发生在消化系统的液体泄漏时。该超声贴纸通过高灵敏度和高特异性检测泄漏，可以比以往更早地进行干预，并且当患者完全康复时，具有生物相容性和生物可降解性的贴纸会自然溶解，无需进行手术取出。
生物可吸收形状适应性超声可读材料结构（BioSUMs）用于实时监测深层组织的稳态 (A) 我们的设备示意图，包括嵌入薄水凝胶中的稀疏金属圆盘集合。(B) BioSUM可实现对深层组织稳态的超声监测。(C) 来自BioSUM的超声信号显示稳态扰动。(D) 随后BioSUM的生物吸收消除了手术取出的需求。(E) 微型化设计允许通过腹腔镜手术植入。图中显示了三种不同尺寸的BioSUM（直径分别为12mm、7mm和3mm），放置在手指上（左）、围绕外径为3.175mm的塑料管（右上）和弯曲状态下（右下）。(F) BioSUM用于检测胃、小肠和胰腺术后泄漏的示意图。(G) BioSUM1、BioSUM2和BioSUM3的pH响应范围，以及代表性消化液的相应pH值。(H) 在PBS（pH 7.4）溶液中95°C条件下加速溶解的BioSUM2图像。
早期检测的重要性
吻合口漏是所有胃肠手术的潜在并发症，如果未能及时发现，患者可能面临30%的住院时间延长（最多六个月）以及20%的死亡风险。对于接受胰腺手术的患者，发生并发症的风险甚至更高，40-60%的患者会经历术后并发症。
胃肠外科医生Chet Hammill博士表示：
“问题的关键在于目前无法预测谁会发展成吻合口漏，且一旦症状出现，患者通常已经非常虚弱。及时发现并处理漏液能够减少患者的痛苦，防止进一步恶化，甚至可能拯救生命。”
形状适应性材料结构的pH响应行为 (A) 在BioSUM系统中使用的pH响应水凝胶中的单体、低聚物和交联剂的化学结构。(B) BioSUM1和BioSUM2中pH响应水凝胶的机制示意图。(C) BioSUM3中pH响应水凝胶的机制示意图。(D) 将BioSUM1浸入pH 4.5溶液中的时间依赖性反应。(E) (D)中所示案例的有限元分析（FEA）建模结果。(F、I和L) 对BioSUM1、BioSUM2和BioSUM3分别进行超声测量，测量它们在不同pH值溶液中的时间依赖性反应。DL/L0（%）表示膨胀比。(G、J和M) BioSUM1、BioSUM2和BioSUM3分别在不同pH值溶液中的平衡状态响应。(H、K和N) 对BioSUM敏感性进行光学测量，测量其对不同量的模拟胃肠液的反应，包括达到10% DL/L0和30分钟时的DL/L0%的反应时间。(H) BioSUM1对模拟胃液的反应。(K) BioSUM2对模拟小肠液的反应。(N) BioSUM3对模拟胰液的反应。(O) 使用BioSUM1进行pH时空映射的装置示意图。(P) 通过光学方法确定的BioSUM1的时空特征，响应模拟胃液在系统一端的引入。BioSUM在PBS（pH 7.4）中完全膨胀24小时后，进行此处呈现的测量。(F)至(N)中的误差条表示±标准差（±SD）。
增强超声成像技术
为解决这一挑战，研究团队并没有开发全新的成像系统，而是优化现有的超声技术。超声已经有许多优点：它价格低廉、设备简便、无辐射，且不对患者造成其他风险。然而，超声无法可靠地区分不同类型的体液。例如，血液和胃液在超声成像中呈现相似的反应，难以区分。
为了克服这一限制，研究团队设计了一种微小的传感器贴纸，通过超声成像读取。贴纸由柔软的水凝胶材料制成，并嵌入了微小的金属盘。这些金属盘对超声成像提供强烈对比，能够在检测到泄漏液体时提供足够的可视化效果。
通过超声成像在深层组织中进行传感 (A) BioSUM在不同情况下声波横截面位置的示意图，以及超声B模式图像中的相应信号。(B) 对称设计使超声成像不受换能器方向的影响。(C) BioSUM在倾斜情况下的示意图，以及超声B模式图像中的相应信号。(D) 在大鼠模型中，BioSUM位于胃部的超声B模式图像，展示了声波横截面位置的不同情况，与(A)中的示意图相关联。(E) 在大鼠模型中，BioSUM倾斜放置在胃部的超声B模式图像，与(C)中的示意图相对应。(F) 在不同深度下测量BioSUM的准确性的实验和数值模拟结果。Dx/x0表示测量长度的偏差与实际长度的比值。(G) 在不同深度下的信噪比实验和数值模拟结果。插图为图像对比度（以分贝为单位）的示意图。(F)和(G)中的误差条表示±标准差（±SD）。
新型贴纸的构造和应用
当水凝胶感应到pH变化时，金属盘会相应地发生位移，从而在超声成像中产生显著的变化。这些变化能够帮助医生识别潜在的泄漏。研究团队设计的贴纸具有生物可降解性，意味着当不再需要监测时，贴纸会自然溶解，避免了传统植入物需要手术取出的麻烦。
这些贴纸的尺寸从12毫米到4毫米不等，其中金属盘直径为1毫米或更小。为了帮助医生准确评估图像，研究团队还开发了自动化软件，能够高精度地分析图像并检测金属盘的相对移动。
大鼠胃肠系统pH稳态的纵向监测 (A) BioSUM1在大鼠胃部植入和传感程序的示意图。[通过Biorender.com创建] (B) 显示在单一胃切口后2小时内BioSUM1膨胀的图像。(C) 在没有诱导胃液泄漏的情况下，BioSUM1在胃部的超声图像，经过14天的稳定期。由于术后器官位置的变化，Zn圆盘阵列的深度在第0天和第1天之间发生了变化。(D) 急性胃切口后BioSUM1在胃部的纵向超声图像。(E) 显示BioSUM1在稳定期和急性胃切口后的膨胀比数据汇总。n = 3个生物学独立的动物。重复测量（RM）单因素方差分析（ANOVA），P = 0.0008，Holm-Sidak多重比较测试与第14天（0分钟）比较：10分钟，P = 0.0208；20分钟，P = 0.0208；30分钟，P = 0.0198；45分钟，P = 0.0207；60分钟，P = 0.0208；90分钟，P = 0.0092；120分钟，P = 0.0207。插图超声图像表示第1天、第14天和120分钟，提取自(C)和(D)。(F) 与(E)相同，但针对BioSUM2和肠切口。RM单因素ANOVA，P = 0.0009，Holm-Sidak多重比较测试与第14天（0分钟）比较：10分钟，P = 0.0254；20分钟，P = 0.0254；30分钟，P = 0.0141；45分钟，P = 0.0254；60分钟，P = 0.0254；90分钟，P = 0.0005；120分钟，P = 0.0254。插图超声图像表示第1天、第14天和120分钟，提取自图S43。(G) 与(E)相同，但针对BioSUM3和胰腺泄漏。RM单因素ANOVA，P = 0.0021，Holm-Sidak多重比较测试与第14天（0分钟）比较：10分钟，P = 0.0231；20分钟，P = 0.0359；30分钟，P = 0.0359；45分钟，P = 0.0359；60分钟，P = 0.0348；90分钟，P = 0.0325；120分钟，P = 0.0089。点表示单独的动物。线表示B样条曲线。误差条表示±标准差（±SD）。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。插图超声图像表示第1天、第14天和120分钟，提取自图S44。所有情况下，BioSUMs在植入前完全在PBS（pH 7.4）中膨胀24小时。
动物模型测试与临床前景
在小型和大型动物模型中，研究人员测试了这种新型贴纸的效果，发现超声成像能够可靠地检测到即使是位于组织深处10厘米的贴纸形状变化。研究结果表明，贴纸在暴露于pH异常的液体时，能够在数分钟内改变其形状。
Rogers博士和Hammill博士计划将这种贴纸植入外科手术的最后阶段，或者由于其微小柔软的特性，也可以通过注射器将其注入体内。由于其体积小且柔软，外科医生可以轻松地将这些贴纸在手术区域不同位置部署，以绘制出整个区域的pH图，从而精确定位泄漏发生的部位。
猪模型中胃肠泄漏的深层组织检测 (A) 实验程序的示意图。(B) 在猪模型中，BioSUMs在小肠（左，BioSUM2）、胃（中，BioSUM1）和胰腺（右，BioSUM3）上的超声图像。(C) 胰腺泄漏后BioSUM3膨胀的图像。(D) 急性胃切口后BioSUM1的纵向超声图像。(E) 显示有无急性胃切口情况下BioSUM1膨胀比的数据汇总。每组n = 3个独立样本。两因素ANOVA，Holm-Sidak多重比较，比较胃切口T = 0分钟：胃切口，30分钟，P = 0.0055；45分钟，P = 0.0024；60分钟，P = 0.0015；90分钟，P = 0.0019；120分钟，P = 0.0024；假手术，30分钟，P = 0.8568。(F) 与(D)相同，但针对BioSUM2和肠切口。(G) 与(E)相同，但针对BioSUM2和肠切口。每组n = 3个独立样本。两因素ANOVA，Holm-Sidak多重比较，比较肠切口T = 0分钟：肠切口，30分钟，P = 0.0351；45分钟，P = 0.0120；60分钟，P = 0.0120；90分钟，P = 0.0028；120分钟，P = 0.0049；假手术，30分钟，P = 0.9970。(H) 与(D)相同，但针对BioSUM3和胰腺泄漏。点表示单独样本。线表示B样条曲线。误差条表示±标准差（±SD）。*P < 0.05，**P < 0.01。(I) 与(E)相同，但针对BioSUM3和胰腺泄漏。每组n = 3个独立样本。两因素ANOVA，Holm-Sidak多重比较，比较胰腺泄漏T = 0分钟：胰腺泄漏，30分钟，P = 0.0045；45分钟，P = 0.0045；60分钟，P = 0.0045；90分钟，P = 0.0026；120分钟，P = 0.0045；假手术，30分钟，P = 0.9988。所有植入程序之前，BioSUMs在PBS（pH 7.4）中完全膨胀24小时。
未来应用展望
随着技术的发展，研究团队还计划研发类似的标签，用于检测体内出血或温度变化。尽管目前仅能检测pH变化，但这一平台能够通过水凝胶响应其他化学变化、温度或其他临床相关特性，扩展至更多应用领域。这种贴纸有望极大地改善患者的恢复时间，提高生活质量，并为未来的医学应用带来革命性的变化。同时，该研究得到了美国国家科学基金会、美国国家癌症研究所以及Querrey-Simpson生物电子学研究所的支持。
参考文献
Liu, Jiaqi, Naijia Liu, Yameng Xu, Mingzheng Wu, Haohui Zhang, Yue Wang, Ying Yan et al. "Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis." Science 383, no. 6687 (2024): 1096-1103.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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