戈兰·古斯塔夫松看着人们，想到了汽车——几十年前从装配线下线的旧车型。古斯塔夫松说，如今的汽车配备了尖端的传感器、计算机和复杂的通信系统，可以在问题仍然容易解决时发出警告，这就是为什么现代汽车很少让驾驶员因灾难性故障而感到意外。
“为什么我们对自己的身体没有类似的愿景呢？”古斯塔夫松想知道，他是一位工程师，他在位于基斯塔的瑞典电子公司 Acreo 的团队是世界上众多试图实现这一愿景的团队之一。这些团队预见，未来人类将像汽车一样连接起来，配备类似的早期预警系统的传感器，而不是让健康问题在一个人最终住院时才被发现——这相当于医疗领域的路边故障。
古斯塔夫松的团队与瑞典林雪平大学的研究人员合作，开发了皮肤表面和植入式传感器，以及可以连接设备同时保持设备私密的体内内联网。其他团队正在开发各种技术，从检测动脉僵硬（预示心脏病发作的信号）的皮肤贴片，到检测癫痫发作并自动将药物直接输送到大脑受影响区域的设备。
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这些下一代设备旨在与组织一起发挥作用，而不是像大多数起搏器和已在体内使用的其他电子设备那样与组织隔离。但要使这种整合发挥作用并非易事，尤其是对于材料科学家而言，他们必须从根本上缩小电路，制造组织无法察觉的柔性和可拉伸电子设备，并找到创新的方法来创建与身体的界面。实现古斯塔夫松的愿景——设备日复一日地监测和治疗身体——还需要新的电源和新的信息传输方式。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的材料科学家约翰·罗杰斯说，尽管如此，在大幅改善医疗保健的同时降低其成本的潜力吸引了研究人员和医生迎接挑战。“我还没有遇到任何临床医生说‘那是空中楼阁，20年后回来找我’，”他说。“他们说，‘哇，太酷了。这里有三种我们今天可以使用的方案，我们如何开始合作？’。”
罗杰斯说，编织到体内的传感器是手持智能手机和可穿戴设备的自然延伸。“我认为电子产品正在向你走来，”他说。“它正在越来越近，我认为想象它们最终将与身体紧密结合是非常自然的事情。”
皮肤深处
超越可穿戴设备的第一步是将无线传感器直接安装在皮肤上，在那里它们可以拾取大量生命体征，包括体温、脉搏和呼吸频率。不幸的是，罗杰斯说，“生物学涉及弯曲、拉伸和肿胀”，这使得由坚硬的硅晶片制成的传统电子设备成为此类传感器的非常糟糕的选择。
他的团队开发了“表皮电子产品”：柔性、可生物降解的粘贴式贴片，贴片上塞满了传感器，但用户几乎无法察觉。这些贴片像临时纹身一样贴上，使用普通的硅电子器件，但经过减薄并通过橡皮图章转移到柔性背衬上。这些贴片通过附近的磁场或通过收集无线电波来获取电力，使用设计用于拉伸、扭曲和弯曲的 S 形导线和天线。“它们采用波浪形几何形状，因此当您拉伸时，波浪形状会发生变化，就像手风琴风箱一样，”罗杰斯说。
罗杰斯与人共同创立了一家衍生公司——MC10，总部位于马萨诸塞州列克星敦——该公司明年将开始将该设备的版本作为 BioStamps 销售：临时贴片，用于测量心脏电活动、水合作用、体温和紫外线照射。罗杰斯说，这些贴片将首先向消费者提供，但他的真正目标是医学。预计很快将公布厄巴纳卡勒基金会医院新生儿重症监护室的一项试验结果，医生们正在使用这些贴片来监测新生儿的生命体征，而无需使用侵入性电缆和扫描仪。MC10 还与总部位于布鲁塞尔的制药公司 UCB 合作，对一种贴片进行测试，该贴片监测帕金森病患者的震颤，以跟踪他们的病情以及他们是否正在服药。
罗杰斯的贴片相对较小，但在东京大学，工程师染谷隆夫创造了一种载有传感器的电子皮肤，可以制成更大的片状。他的最新薄膜只有 1 微米厚，非常轻，可以像羽毛一样漂浮，但它足够坚固，可以应对与肘部或膝盖弯曲所需的拉伸和褶皱。它可以提供有关温度（伤口中的热量可以发出感染信号）、湿度、脉搏和血液中氧气浓度的读数。染谷通过完全抛弃硅来实现这一点，而是使用由碳基聚合物和其他材料制成的固有柔软的有机组件。有机电路可以印刷到塑料薄膜上，使其廉价且易于大量生产。而且它们用途广泛：它们可以在高温和水基环境中工作。
斯坦福大学加利福尼亚州的工程师鲍哲楠也从皮肤中获得灵感。她的团队通过将微米级橡胶金字塔夹在薄膜之间来创建薄型压力传感器。即使是轻微的触摸也会压缩金字塔的尖端，从而改变薄膜之间电流的流动方式。这些传感器可用于心脏监护仪，以跟踪压力波通过动脉的速度。这可以揭示血管僵硬度的增加——心脏病发作的预测指标。去年，美国食品和药物管理局批准了一种无线压力传感器，可以植入晚期心脏病患者的心脏内；鲍的设备可以从皮肤表面完成类似的工作。
图片来源：Nature
尽管皮肤贴片可能很有用，但在身体深处可以获得更多信息。“医院抽血是有原因的，”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院 (MIT) 的化学工程师迈克尔·斯特拉诺说。“血液中有一些标志物非常擅长预测疾病。”
但深入研究会带来新的挑战。斯特拉诺说，理想情况下，皮肤下的传感器不仅应该无毒，而且应该足够稳定，以便在体内工作多年（如果需要），并且具有生物相容性——这意味着它们不会触发身体的免疫反应。然而，目前大多数设备在一个或另一个方面都存在不足。例如，检测血液中称为生物标志物的化学信号的传感器通常使用生物材料，这些材料会很快降解。斯特拉诺说，对于目前用于监测糖尿病患者血糖水平的先进实时传感器来说，这是一个严重的限制：这些设备通过产生过氧化氢的酶反应来检测葡萄糖。这会迅速降解传感器，以至于它们必须在几周内更换。
为了解决这个问题，斯特拉诺的实验室开发了合成的、长寿命检测器材料，可以将这些材料与水基凝胶混合，并像纹身一样注射到皮肤下。这种纹身的“墨水”由碳纳米管组成，碳纳米管涂有悬挂的聚合物链，聚合物链具有锁和钥匙的化学结构，可通过指示哪些分子可以与它们对接来识别生物标志物。当生物标志物与聚合物结合时，它们会微妙地改变纳米管的光学特性：将光照射在纹身上，光芒会显示生物标志物的存在。
斯特拉诺和他的团队开发了碳纳米管传感器来监测血液中的一氧化氮——一种炎症标志物，可以指示感染甚至癌症——并且正在研究葡萄糖和皮质醇，一种压力生物标志物，可能被证明对监测创伤后应激障碍和焦虑症有用。一氧化氮传感器在小鼠体内工作了 400 天，据斯特拉诺所知，这是任何植入式化学传感器在体内存在时间最长的一次，并且没有引起任何免疫反应。对于许多其他类型的设备，情况仍不明朗。“对于电子材料，尤其是塑料基和有机材料，它们的长期影响仍然未知，”鲍说。
现在，斯特拉诺开始与麻省理工学院工程师丹尼尔·安德森合作开发可以将传感器与药物输送系统结合起来的设备。他们希望改进麻省理工学院工程师罗伯特·兰格开创的微芯片，通过释放封装在聚合物胶囊中的适当药物来响应一系列触发因素。2012 年，在 8 名患有骨质疏松症的女性中，首次进行了药物输送“芯片药房”（不带传感器）的人体试验。
除非糖尿病（已被广泛研究），否则需要很长时间才能将此类设备用于可靠地检测疾病并自动治疗疾病。斯特拉诺的设备非常擅长仅与其目标分子结合，但关于生物标志物信号的波动实际上对健康意味着什么，仍然存在很大的疑问，他说。他的团队正在对体内的生物标志物进行建模，以帮助确定传感器需要放置在哪里以及它应该以多快的速度做出反应才能提供有用的信息。“通常你需要依靠许多不同的感官参数来做出决定。仅仅一种化学物质过度表达是不够的，”林雪平大学的电子工程师马格努斯·伯格伦说，他正在与古斯塔夫松合作。
移动目标
一些研究人员的目标位于身体更深处，对于他们来说，柔韧性和生物相容性甚至更为重要。如果一个刚性传感器摩擦心脏或大脑等移动的器官，其中细胞会随着动物的呼吸而略微移动，身体会很快用疤痕组织墙将其包围。而且，如果传感器相对于器官移动，无论如何结果都将不可靠。
法国加尔丹纳圣艾蒂安国立高等矿业学院的生物电子工程师乔治·马利亚拉斯和他的同事们正在开发柔性替代品，以取代目前用于追踪癫痫症或帕金森病患者大脑中独特电模式的相对刚性的传感器。这些柔性电子器件由有机导电聚合物制成，可响应化学信号——产生电模式的离子流。他说，这不仅提高了灵敏度，而且还让研究人员“以完全不同的方式与生物学互动”。
马利亚拉斯说，该团队最新的设备已在老鼠以及两名接受癫痫手术的人类身上进行了测试，检测到了单个神经元的放电。他补充说，如果这个过程颠倒过来，传感器就可以用来输送药物。称为有机电子离子泵的设备通过施加电压来响应，从而迫使药物（小的带电粒子）从储液器中流出。马利亚拉斯的团队与林雪平大学小组和法国国家健康与医学研究院马赛分院合作，正在将他的癫痫传感器与离子泵耦合，离子泵通过将癫痫药物释放到大脑的正确部位来响应癫痫发作。伯格伦和林雪平团队使用类似的技术开发了一种“疼痛起搏器”，将镇痛药直接输送到脊髓。
保持运转
任何电气设备都受到其对电力的需求的限制。位于皮肤上或附近的设备可以集成无线收集电力的天线——只要附近有外部电源。但体内更深处的传感器通常必须依赖电池，电池体积庞大且需要更换。有些设备，例如伯格伦的止痛泵，需要将电线穿过覆盖组织——这种布置既笨重又可能导致感染（参见'Wired for life'）。
为了解决这些问题，佐治亚理工学院亚特兰大分校的纳米科学家王中林在过去十年中一直试图收集人们走路甚至呼吸时产生的微量机械能。“我们开始思考，如何将身体运动转化为电能？”他说。
他的最新设计使用长期以来被认为是滋扰的静电，将吸气和呼气的运动转化为足够的能量来为起搏器供电。该发电机使用两个不同的聚合物表面，夹在电极之间并连接在电路中。当用户吸气和呼气时，表面接触并分离，交换电子——这与用羊毛布摩擦气球时发生的情况相同。电荷的积累导致电流流过导线。“吸气和呼气，来回移动或上下驱动，你就会产生电力，”王说。
从 2014 年开始，王开始在老鼠身上测试该系统，从厚度为几张纸的设备中产生毫瓦级的能量。现在他的团队正在猪身上测试相同的技术。
罗杰斯的团队使用由镁和其他低浓度下安全的金属制成的电极创建了可生物降解的电池，这些金属会在体内缓慢溶解。“有些设备您希望在患者的整个生命周期内使用。在另一些设备中，您只需要并且希望设备是临时的，”罗杰斯说。
个人隐私
这项技术可能是革命性的，但有线人体将数据发送到外部计算机或医疗中心的愿景面临着可穿戴设备行业已经面临的威胁：黑客攻击。“当半导体芯片被引入体内时，黑客攻击是一个非常严重的问题，”染谷说。
一种解决方案是在设备本身上分析数据，从而减少通过无线电波发送的数据量。另一种方案是完全避免无线电波。在尚未发表的工作中，瑞典团队开发了一种体内内联网，该内联网以低频率使用人体内的水作为其导线来传输信号。为了在设备之间或从设备向智能手机发送信息，用户必须用手物理接触物体。这可以保持信号低功率和私密性，并避免堵塞移动电话和无线路由器已经争夺的数据传输频率。“它仅在您的体内传输和暴露，”伯格伦补充说，他表示该系统已经可以通过人体在电子标记的物体和智能手机之间交换数据，并将很快集成在皮肤传感器上。
马利亚拉斯说，无论设备多么好，新材料的先驱者也将与医疗监管浪潮作斗争。他说，再加上化学品供应商担心设备故障可能会使他们容易受到诉讼，“这大大阻碍了新材料的采用”。
伯格伦和他在 Acreo 的合作者是最早尝试通过连接人类来连接一系列设备的人之一。但他们欣然承认，要使这一愿景成为现实，将需要多家公司和研究团队，以及保险公司和医疗保健提供商的参与。
伯格伦知道存在很大的障碍。“挑战在于将所有东西组合在一起，”他说。“但他们在汽车行业做到了，这令人印象深刻。你很少看到汽车停在路边等待维修。对于人类来说是否也有可能做到这一点仍然是一个问号，但绝对值得尝试。”
马利亚拉斯对此表示赞同。“一辆汽车你通常保留不到十年，”他说。“一个身体你想保留 80 或 90 年；它要珍贵得多。”
本文经许可转载，并于2015 年 12 月 1 日首次发表。