近年來，伴隨高強度運動、不規律作息及不良飲食習慣的普及，組織損傷和心血管疾病的發病率顯著上升。如何實現對人體內部組織狀態的連續、精準和無創監測，成為生命健康領域的重大挑戰。

近日，華中科技大學集成電路學院臧劍鋒教授團隊在生物醫學工程領域取得重大突破，開發出一種全新的全水凝膠超聲植入式傳感器（Metagel傳感器），為體內組織損傷監測提供革命性的柔性、可降解、無線的解決方案。相關研究成果以題為"An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains"，于2025年4月14日在線發表于Nature Biomedical Engineering期刊。

? 全柔性可降解：100%水凝膠材料構成，生物相容性極佳

? 無源無線監測：獨創聲子晶體結構，通過微孔排列變化感知組織應變

? 精準動態追蹤：超聲回波信號實時反映體內組織力學狀態

? 無需定期充電：無需電池/金屬/芯片，實現"植入即忘"監測

該傳感器完全由柔軟的水凝膠材料構成，內部嵌入數百個空氣微孔，形成特殊的聲子晶體結構。當人體組織發生拉伸或振動時，傳感器結構會發生微小變形，進而引起其聲帶隙頻率的改變。通過體外的超聲探頭即可實時接收并分析回波信號，準確反映體內組織的應變狀態，實現無需電池、無金屬、無芯片的連續無線監測。華中科技大學博士田野，楊月瑩，唐瀚川為論文共同第一作者，臧劍鋒教授、唐瀚川副教授、尹周平教授以及西南大學徐立群教授為共同通訊作者。這項突破標志著我國在智能生物醫學器件領域取得國際領先成果。

本工作提出了一種創新的Metagel傳感器，它像是一架植入體內的“水凝膠風琴”：在果凍一樣柔軟的水凝膠中規則排列的空氣孔結構，就像風琴中有序排列的音管。當體內組織發生運動或拉伸時，這架“風琴”會隨之變形，改變其聲波共鳴的“音調”。體外的超聲探頭就像聆聽的耳朵，能準確捕捉到每一次“音調”的變化，從而實時感知心跳、呼吸、傷口愈合等內部生理活動。無需電池、無需芯片，這架“風琴”悄無聲息地演奏著身體的健康旋律，成為了連接醫生與體內信號的橋梁。

圖2.可植入“水凝膠風琴”照片

研究團隊通過在豬體內進行為期30天的植入實驗，成功監測到了肌腱拉伸、呼吸、心跳及傷口愈合等過程，驗證了該器件的長期穩定性、生物相容性與可降解性。尤其值得一提的是，研究人員還將生長因子加載于Metagel中，實現了不同愈合速度下的傷口動態監測，展示出其在康復評估、藥效評價、慢病管理等方面的廣泛應用前景。

論文通訊作者，華中科技大學集成電路學院臧劍鋒教授表示：“這項技術為體內深層傷口的康復監測，提供了一種無創、長期的體內監測方案。或許在不久的將來，患者在接受手術后將無需再頻繁地回到醫院進行復查，足不出戶即可對自身康復狀態進行實時監測。”

該成果不僅突破了傳統電子植入式器械在材料生物相容性、無線傳輸和可降解性方面的技術瓶頸，也為今后開發更加柔軟、安全、智能的體內傳感器提供了全新思路。目前，團隊正在與臨床機構密切合作，推進該技術在肌腱康復監測、心血管疾病預警、術后康復管理等多領域的轉化應用，持續推動健康監測走向柔性化、智能化和個性化。該研究得到國家自然科學基金原創探索計劃項目、面上項目，中國博士后科學基金，華中科技大學交叉研究項目，太湖創新基金的資助支持。

圖3.超凝膠應變傳感器的系統設計

柔軟可變形的超凝膠傳感器僅由水凝膠材料和插入其中的空氣孔結構組成，通過外部超聲探頭檢測超凝膠的聲學帶隙頻移來檢測應變。

圖4.超凝膠應變傳感器的傳感機制

超凝膠應變傳感器由柔軟的水凝膠和插入其中的密封空氣孔結構組成，空氣孔結構的尺寸和形狀與超凝膠的聲學帶隙相關聯。

圖5.超凝膠應變傳感器的傳感性能

超凝膠應變傳感器在無線傳感場景中，可以實現對0.3%微小應變的靈敏檢測，同時在2000次的循環拉伸中保持了穩定的頻移監測。

圖6.在離體動物組織上測試超凝膠傳感器的應變傳感功能

在離體動物組織上，超凝膠傳感器實現了對肌腱拉伸，外部敲擊，肌腱損傷，豬皮傷口以及心臟跳動的頻率和幅度的無線連續監測。驗證了超凝膠應變傳感器在生物醫學領域廣泛的應用場景。

圖7.超凝膠應變傳感器的生物相容性/可降解性能

得益于超凝膠傳感器的全水凝膠設計，傳感器在生物相容性和生物可降解性方面表現出色。超凝膠傳感器在植入后12周的時間內可自然降解，無需二次手術進行取出。

圖8.超凝膠傳感器在活體巴馬豬模型中實現了對肌腱康復的監測，和對呼吸、心跳等重要生理參數的監測功能

超凝膠傳感器在植入活體巴馬豬一個月的時間里，保持了穩定的肌腱拉伸監測功能。如果將超凝膠傳感器植入在活體巴馬豬的受損肌腱上，則可以連續無線地監測肌腱的康復情況。另外，超凝膠傳感器也可以用于連續無線地監測呼吸、心跳等重要生理活動所產生的機械應變信號。該技術有望應用于運動損傷康復、術后監測等多個場景，為精準醫療提供全新工具。

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01374-z

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