严重肢体创伤常引发急性骨筋膜室综合征（ACS），这是一种以骨筋膜间隔内压力升高和血液灌注受损为特征的骨科急症，延迟或漏诊可导致永久残疾甚至死亡，而误诊则带来不必要的、痛苦的手术切开。临床共识推荐所有肢体损伤患者均应接受ACS评估，但仅凭临床症状诊断本质上具有主观性，敏感性和特异性较低，尤其在儿科患者或意识受损患者中。骨筋膜室内压（ICP）监测仍是准确诊断的主要方法。现有针式测压存在针头软组织阻塞导致测量结果不可靠的风险；植入式电子虽能无线监测，却面临刚性与软组织机械失配、长期生物相容性和信号稳定性差及需二次手术取出等挑战。因此，临床亟需一种柔软、微创、可生物降解的植入物，以支持伤后风险窗口内的连续、按需ICP监测。
针对这一难题，华中科技大学臧剑锋教授、唐瀚川副教授提出了一种可注射、生物粘附的超声传感器（超凝胶传感器）。该传感器将压力响应型PVA/PEI与周期性空气柱集成，并与基底生物粘附水凝胶结合，形成全水凝胶结构，不含板载电子器件、电池或经皮连接，毫米级尺寸（1.2 × 1.2 × 1.6 mm³）可通过16G穿刺针注射递送（图1a、图1c）。压力诱导的晶格变形表现为声学带隙偏移（图1e），通过追踪反射超声峰值频率即可实现无源无线连续ICP读取。在猪模型中，该传感器实现了急性创伤后阶段的连续监测，并在术后第2天和第10天对同一植入传感器进行重复无线问询；呼吸和脉搏波形可从信号中解耦，为ACS评估提供补充生理信息。此外，超凝胶在14周内表现出约60%的质量损失和良好的生物相容性。相关论文以“Injectable Bioadhesive Ultrasonic Sensor for Continuous and Wireless On-Demand Pressure Monitoring in Acute Compartment Syndrome”为题，发表在Advanced Materials上。
图1 | 用于无线ICP监测的超凝胶传感器的设计、部署和传感机制。(a) 超凝胶传感器示意图，由水凝胶和嵌入空气柱组成，毫米级尺寸支持可注射递送。(b) 无线超声监测系统示意图，包括植入的超凝胶传感器和外部可穿戴超声探头。(c) 超凝胶传感器和穿刺针的光学图，比例尺：2 mm。(d) 显微图像显示水凝胶基质内空气柱的周期性排列，比例尺：500 μm。(e) 传感机制：ICP诱导的晶格变形调制声学带隙，产生反射超声峰值频率的偏移。
设计原理与体外验证。超凝胶传感器由声学功能型PVA/PEI水凝胶基质与基底生物粘附水凝胶集成，水凝胶基质与嵌入空气柱之间的声阻抗对比形成软声子晶体，产生特定声学带隙，显微图像清晰显示空气柱阵列的周期性排列（图1d）。在原始状态下，晶胞具有确定的晶格常数a、填充直径d₁和有效填充比FR = d₁/a；当外部探头以频率f₀发射时，超凝胶传感器反射出峰值频率f₁的超声波。病理组织肿胀引起超凝胶压缩变形，使晶格参数变为FR'（d₁'/a'），进而触发声学带隙偏移，反射峰值频率从f₁向更高频率f₂偏移。无线超声监测系统由超凝胶植入物和便携设备驱动的小型可穿戴线性阵列超声探头组成（图1b），工作在脉冲-回波模式。有限元分析模拟了未加载与10 mmHg压缩下的应力分布与声散射场（图2a），以及0、10、20和30 mmHg压力下的声反射谱及峰值频率偏移（图2b、图2c）。体外测量系统包括猪皮密封的水填充玻璃腔、注射泵、商用测压计和10 MHz超声探头（图2d）。实验显示，超凝胶在B模式超声下呈现高回声特征（图2e），反射峰中心约10.33 MHz（图2f）；在0–60 mmHg生理相关范围内，反射峰值频率随压力增加呈线性蓝移（图2g），与商用测压计高度一致，灵敏度达9.57 kHz·mmHg⁻¹（R² = 0.9989）（图2h），可分辨低至0.2 mmHg的压力变化（图2j）；在5小时内以35 mmHg幅度进行1200次循环加载后无明显性能退化和基线漂移（图2k、图2l），超过10天的间歇测试证实了长期操作稳定性。
图2 | 超凝胶传感器的有限元分析和体外声学表征。(a) 未加载状态（左）和10 mmHg压缩（右）下超凝胶传感器的FEM，显示应力分布和声散射场。(b) 施加压力为0、10、20和30 mmHg时的模拟声反射谱，入射声能归一化为0 dB。(c) 模拟的反射超声峰值频率偏移。(d) 体外测量系统示意图。(e) 超凝胶传感器的超声图像，比例尺：1 mm。(f) 时域和频域表征，显示反射峰值频率为10.33 MHz。(g) 实验测量的0–60 mmHg压力范围内的超声反射谱。(h) 校准曲线，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(i) 超凝胶传感器和商用测压计对时变压力的响应对比。(j) 对最小可检测压力的响应，应用了低通滤波器以抑制高频噪声。(k) 疲劳测试，在5小时内以35 mmHg压力幅度进行1200次循环加载。(l) 第520至528次循环的详细压力测量。
离体组织粘附与监测。超凝胶在离体猪组织中的生物粘附和压力监测性能同样得到验证。其双层异质结构实现了功能层-生物粘附层界面和生物粘附层-肌肉组织界面的稳健集成（图3a）：PEI聚合物链引入的丰富胺基促进与生物粘附层的稳定共价交联，界面增强提高了功能层与生物粘附层之间的韧性（图3b）；面向组织的生物粘附层在离体肌肉上维持界面韧性超过24小时（图3c）。在模拟猪皮的PDMS密封玻璃腔中，超凝胶在循环压力加载和卸载过程中，反射峰值频率与施加压力成比例变化，减压后恢复至基线，与商用压力计同步且基线漂移和响应滞后可忽略。在离体猪后肢间室模型中，研究者建立了四阶段操作流程——表面固定、引导插入、超声定位和信号采集（图3d），B模式超声图像可清晰定位植入深部间室的超凝胶传感器（图3e），超凝胶在阶梯加载、静息阶段和压力衰减过程中紧密跟随参考压力（图3f），验证了完整的植入和超声问询工作流程。
图3 | 超凝胶传感器在离体猪组织中的生物粘附和压力监测。(a) 双层异质结构示意图，包括PVA/PEI水凝胶-生物粘附水凝胶界面和生物粘附水凝胶-肌肉组织界面。(b) 生物粘附水凝胶与PVA/PEI水凝胶之间的界面韧性，与纯PVA水凝胶相比，显示PEI诱导的显著增强，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(c) 生物粘附水凝胶与肌肉组织之间界面韧性在24小时内的时序性能，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(d) 超凝胶传感器可注射植入和超声监测的操作方案。(e) 植入深部间室的超凝胶传感器的B模式超声图像，比例尺：2 mm。(f) 连续压力监测捕获三个不同阶段：三次连续盐水注射诱导的阶梯加压、静息阶段的稳定压力维持，以及20分钟后由于离体间室非密封性质导致的逐渐减压。
生物相容性与降解。超凝胶的生物相容性和体内生物安全性通过细胞毒性、体内降解和体内生物相容性实验得到系统评估。人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的活/死染色显示，在6、12和24小时内，PVA/PEI水凝胶提取物组与对照组细胞形态相当（图4a），24小时后细胞活力差异极小（图4b），无明显细胞毒性。将4 mm × 4 mm × 2 mm的超凝胶样品植入大鼠后肢肌肉，14周内超凝胶失去约60%的重量（图4c），降解曲线与预期临床监测窗口兼容。植入后4周内，WBC、RBC、ALT、AST等血液学与生化指标与假手术对照组无统计学差异（图4d、图4e）；肌肉组织H&E染色显示传感器周围无严重炎症或组织坏死（图4f），心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等重要器官也未见异常（图4g），支持了良好的生物相容性。
图4 | 超凝胶传感器的生物相容性和体内生物安全性。(a) 6、12和24小时对照组和PVA/PEI水凝胶提取物组中HUVECs的活/死染色图像，比例尺：200 μm。(b) 对照组和PVA/PEI水凝胶组细胞活力，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(c) 大鼠14周生物降解过程中超凝胶的重量比，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(d) 大鼠植入后4周内的血细胞计数和(e)血液生化测试结果，数据以均值±标准差表示（n = 3个独立样本）。(f) 大鼠后肢肌肉植入后4周肌肉组织的H&E染色，传感器周围未见严重炎症，比例尺：200 μm。(g) 植入后4周包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏五个重要器官的H&E染色，比例尺：200 μm。
活猪体内无线监测。在活猪体内，超凝胶传感器实现了ICP的无线连续监测。研究采用1 kg重物从管顶垂直自由落体40次建立急性钝性创伤模型，通过16G穿刺针将超凝胶植入目标间室，可穿戴超声探头经腕带固定于皮肤（图5a、图5b）。超声图像确认超凝胶与商用侵入式压力针位于等效深度和近端空间位置，支持同一压力信息的获取（图5c）。创伤后ICP在30分钟内迅速升高并达峰，随后90分钟内逐渐回落至基线（图5d、图5e），超凝胶读数与商用压力计高度一致（R² = 0.982，平均偏差+1.39 mmHg）（图5f）。值得注意的是，超凝胶能清晰捕捉商用设备未能分辨的呼吸和胫前动脉搏动引起的ICP波动（图5f），其呼吸频率与麻醉呼吸机设定的4秒周期匹配，基于频率差异可将压力、呼吸和脉搏信号解耦。在第2天和第10天对同一传感器进行重复问询，传感器仍保持分辨生理波动的能力（图5g）；在多次创伤事件中，ICP逐渐超过临床相关的30 mmHg水平（图5h）；同一间室内三个不同位置植入的超凝胶传感器可独立分辨各自的压力相关响应（图5i），展示了多点监测的潜力。
图5 | 活猪体内骨筋膜室内压的无线连续监测。(a) 体内测试方案示意图，包括创伤模型构建、针导植入和超声无线读取。(b) 后肢植入部位照片，商用压力传感器需要穿刺针穿透肌肉，而与超凝胶传感器配对的可穿戴超声探头通过腕带固定于皮肤。(c) 超声图像显示超凝胶传感器、定位的商用针以及间室内的胫前动脉。(d) 猪后肢在基线、创伤后30分钟和120分钟的照片，显示从肿胀到恢复的进展。(e) 垂直创伤前后记录的ICP波动。(f) 120分钟内超凝胶响应和商用ICP记录的对比，超凝胶传感器检测到与呼吸和动脉脉搏相关的振荡。(g) 第2天和第10天的ICP测量，传感器在反复创伤和长期恢复后仍保持分辨生理波动的能力。(h) 多次创伤事件期间的压力监测，其中ICP逐渐超过临床相关的30 mmHg压力水平。(i) 对同一间室内不同位置植入的三个超凝胶传感器的顺序问询，显示三个传感位点独立分辨的压力相关响应。
综上所述，本研究提出的可注射、生物粘附超声超凝胶传感器，通过压力诱导的声学带隙偏移实现无源无线ICP读取，兼具高灵敏度、长期稳定性、良好生物相容性和可生物降解性，并在活猪创伤模型中成功实现了连续监测、重复按需问询及呼吸/脉搏信号解耦。该平台为急性骨筋膜室综合征的微创、连续、无线和按需监测提供了有前景的集成解决方案，有望推动ACS临床管理向更精准、更安全的方向发展。
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