Nature子刊：微小的无线植入物可实时测量皮肤深处组织氧含量

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的工程师们发明了一种微型无线植入物，可以实时测量皮肤深处的组织氧含量。该设备比普通瓢虫小，由超声波提供能量，可以帮助医生监测移植器官或组织的健康状况，并提供潜在移植失败的早期预警。

这项技术是与加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的医生合作开发的，它也为各种微型传感器的开发铺平了道路，这些传感器可以跟踪人体的其他关键生化指标，如pH值或二氧化碳。这些传感器有一天可以为医生提供微创的方法来监测功能器官和组织内部的生物化学。

“测量身体深处的东西非常困难，”加州大学伯克利分校(UC Berkeley)电子工程和计算机科学教授、陈·扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的调查员米歇尔·马哈比兹(Michel Maharbiz)说。“该设备展示了如何使用超声波技术和非常聪明的集成电路设计，你可以创造复杂的植入物，深入到组织中获取器官数据。”

Maharbiz是一篇描述这种装置的新论文的资深作者，这篇论文发表在《自然-生物技术》杂志上。

氧气是细胞从我们所吃的食物中获取能量的关键组成部分，而身体中几乎所有的组织都需要稳定的氧气供应才能生存。大多数测量组织氧合的方法只能提供有关身体表面发生的情况的信息。这是因为这些方法依赖于电磁波，比如红外线，而红外线只能穿透皮肤或器官组织几厘米。虽然有一些类型的磁共振成像可以提供关于深部组织氧合的信息，但它们需要较长的扫描时间，因此无法提供实时数据。

自2013年以来，Maharbiz一直在设计微型植入物，利用超声波与外界无线通信。超声波是一种频率过高、人耳无法察觉的声音，它能比电磁波在人体中传播的距离远得多，对人体无害。超声波成像技术已经成为医学上的超声波成像技术的基础。这种装置的一个例子是“刺激尘埃”，它是与加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学助理教授瑞基·穆勒(Rikky Muller)合作设计的，它可以探测并刺激人体的神经电脉冲。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的工程学博士后索内尔·松迈泽格鲁(Soner Sonmezoglu)领导了这项研究，旨在扩展这种植入物的功能，包括氧感应。要将氧气传感器整合到这个微小的装置中，需要将LED光源和光学探测器集成在一起，还需要设计一套更复杂的电子控制装置来操作和读出传感器。该团队通过监测活羊肌肉内的氧气水平来测试该设备。

Sonmezoglu指出，这种类型的氧气传感器不同于用于测量血氧饱和度的脉搏血氧仪。当脉搏血氧仪测量血液中氧合血红蛋白的比例时，新设备能够直接测量组织中的氧含量。

Sonmezoglu说:“这种设备的一个潜在应用是监测器官移植，因为在器官移植后的几个月内，血管并发症可能会发生，而这些并发症可能会导致移植物功能障碍。”“它也可以用来测量肿瘤缺氧，这可以帮助医生指导癌症放射治疗。”

这项研究的共同作者Jeffrey Fineman和Emin Maltepe都是加州大学旧金山分校的儿科医生，也是儿童药物和设备开发倡议的成员。他们之所以参与这项研究，是因为它在监测胎儿发育和护理早产儿方面具有潜力。

Maltepe说:“例如，我们经常需要给早产儿补充氧气，但没有一个可靠的组织读出氧气浓度。”“该设备的进一步小型化版本可以帮助我们更好地管理重症监护婴儿的氧气暴露，并帮助最小化过度氧气暴露的一些负面后果，如早产视网膜病变或慢性肺部疾病。”

Sonmezoglu说，这项技术还可以进一步改进，通过安装传感器，它可以在体内长期存活。该设备进一步小型化也将简化目前需要手术的植入过程。此外，他说，传感器中的光学平台可以很容易地用于测量人体的其他生物化学物质。

Sonmezoglu说:“只需改变我们为氧气传感器搭建的平台，你就可以修改设备来测量pH值、活性氧、葡萄糖或二氧化碳。”“此外，如果我们可以修改包装，使其更小，你可以想象，可以通过针或腹腔镜手术向体内注射，使植入更加容易。”

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