图 超凝胶应变传感器的系统设计
在国家自然科学基金项目（批准号：T2350001）等资助下，华中科技大学臧剑锋教授、唐瀚川副教授、尹周平教授、西南大学徐立群教授及合作者在植入式超凝胶超声传感器领域取得进展。研究团队开发出一种基于水凝胶的超声声子晶体植入式传感器（超凝胶超声传感器），为体内组织应变监测提供了一种柔软、可降解、无需电池的无线监测方案。研究成果以“可植入水凝胶声子晶体用于无线连续监测体内组织应变（An implantable hydrogel-based phononic crystal for continuous and wireless monitoring of internal tissue strains）“ 为题，于2025年4月14日在线发表于《Nature Biomedical Engineering》。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01374-z。
在当前临床实践中，实现对体内深层组织的连续监测仍是一项技术难题。传统电子植入设备依赖金属、芯片等刚性材料，容易引发炎症反应，且多数不能降解、需二次手术取出。而本研究开发的超凝胶应变传感器，完全由柔软的水凝胶材料构成，内部嵌有周期性空气微孔结构，构建出声子晶体单元，可在不依赖电池、不需要金属元件的前提下实时感知组织的力学应变变化。通过外部超声探头发送和接收信号，超凝胶应变传感器对组织产生的微小形变表现出高灵敏度的声学响应。例如在肌腱拉伸、心跳、呼吸等生理活动中，超凝胶应变传感器能通过其“声学带隙”频率变化，无线传递组织状态信息，真正做到了“植入后忘记它的存在”。
针对从肌腱到心脏的精准监测，研究团队在猪体内完成了一系列验证实验，涵盖了肌腱拉伸、呼吸频率、心跳节律以及皮肤伤口愈合等多种场景。结果显示，超凝胶应变传感器不仅能识别小至0.3%的组织应变，还能连续工作30天以上，其频率响应可用于实时追踪组织康复过程，比如判断伤口是否裂开、愈合是否顺利等。值得一提的是，研究人员还将生长因子加载于水凝胶中，实现了对不同愈合速度下的伤口愈合过程监测，为术后康复与药效评估提供了精准反馈手段。该传感器采用的PVA/CMC双交联水凝胶具备良好的生物相容性与可控降解性。在体内12周后基本降解完毕，且不会引起明显的炎症或免疫排斥反应。动物实验显示，该材料在体内表现出极低的机械应激与组织损伤风险，无需二次手术取出，大幅提升了患者的舒适度与安全性。
该研究突破了传统电子植入器件“硬材质、不可降解、有源供电”的三大限制，为未来构建柔性、智能、自适应的下一代医疗器件提供了重要路径。结合穿戴式超声平台后，超凝胶超声应变传感器有望实现动态、长期、居家化的组织监测，在运动康复、心血管健康管理、术后愈合评估等场景中具有重要应用前景和价值。