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【中國化工儀器網(wǎng) 技術(shù)前沿】科學(xué)家嘗試用其獲取大量數(shù)據(jù)監(jiān)測健康,，它們距離我們已經(jīng)越來越近,，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會水乳交融
GoranGustafsson眼睛看著行人,，腦里想著汽車——那些數(shù)十年前裝配線上生產(chǎn)的老模型,。Gustafsson說，今天的汽車已經(jīng)配備了高端的感應(yīng)器,、計算機和交流系統(tǒng),，可以在情況依然可控時提示存在的問題，這正是現(xiàn)代汽車較少讓駕駛?cè)税l(fā)生災(zāi)難性事故的原因,。
“為什么我們不在人體中嘗試同樣的事情呢,？”瑞典Acreo電子公司工程師Gustafsson曾有過這樣的想法，這個位于斯德哥爾摩近郊希斯塔的公司是全世界試圖實現(xiàn)這一目標的公司之一,。就像不讓汽車在中途拋錨一樣,，為了不讓健康隱患暗中潛伏——直到患者進入醫(yī)院才發(fā)現(xiàn)病癥，這些研究團隊希望在可以預(yù)見的未來,，把人類像汽車那樣裝扮起來,，給人類穿戴上可以形成類似早期預(yù)警系統(tǒng)的感應(yīng)器
Gustafsson的團隊和瑞典林雪平大學(xué)的研究人員一起合作，研發(fā)出了一些像皮膚一樣薄的可植入感應(yīng)器,，還有一個體內(nèi)“局域網(wǎng)”,，可以讓這些感應(yīng)器在獨立發(fā)揮作用的同時彼此相互連接在一起。其他一些團隊正在研究從可感應(yīng)動脈硬化（心臟病發(fā)作的信號）的皮膚補丁到探測癲癇發(fā)作并自動向受影響區(qū)域直接提供藥物的感應(yīng)設(shè)備,。
這些下一代設(shè)備的設(shè)計目的是和人體組織協(xié)同作用,，而不是像現(xiàn)有的大多數(shù)心臟起搏器和其他電子設(shè)備那樣獨自發(fā)揮作用。但是讓這些設(shè)備融會貫通需要的技術(shù)絕不簡單,，尤其是對材料學(xué)家來說,，他們需要把相關(guān)電路大大縮短，制作出靈活、可伸展,、不被人體組織覺察的電路,，并找到與人體創(chuàng)建接口的新通道。如果實現(xiàn)Gustafsson的設(shè)想——用設(shè)備一天天監(jiān)控和治療人體,，同樣還需要開辟新的能量來源和傳遞信息的新方式,。
現(xiàn)在，面對大幅提高健康管理同時降低相關(guān)花費的挑戰(zhàn),，研究人員和臨床醫(yī)生已經(jīng)躍躍欲試,，美國伊利諾伊州立大學(xué)材料學(xué)家JohnRogers說。“我碰到的臨床醫(yī)生沒有人會說‘那簡直就是天上的餡餅,、不切實際,，不信過20年看一看結(jié)果。’”他說,，“相反,，他們會說‘哇，這個想法太棒了,。我們現(xiàn)在可以通過3種渠道使用它,，不如一起合作嘗試一把。’”
把感應(yīng)器移入體內(nèi)是手持智能手機和可穿戴設(shè)備的自然延伸,，Rogers說,。“電子設(shè)備正迎面撲來。”他說,，“它們距離我們已經(jīng)越來越近,，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會水乳交融,。”
薄如皮膚
超越可穿戴設(shè)備的第一步將是可直接用于皮膚的無線感應(yīng)器,，它們可以收集大量重要信號，如體溫,、脈搏,、心率等。但Rogers表示,，不利的是,，“它們在生物學(xué)上需要具備可靈活彎曲、拉伸和膨脹的特點”,，因此傳統(tǒng)上用硬硅膠制作的電子感應(yīng)器并非良好選擇,。
他和團隊為此研發(fā)了一種“皮膚電子”：靈活的、可生物降解的補丁,，其內(nèi)部填塞了讓使用者幾乎感覺不到的感應(yīng)器。像很多臨時紋身那樣,，這些補丁利用的是普通的硅電子,，但卻非常薄,，并利用“橡膠圖章”為里襯可以靈活運動。利用S形的電線和可伸展,、彎曲的天線,，這個補丁可以從附近的磁場獲取能量或是通過捕捉無線電波獲取能量。“它們利用的是波浪的幾何特點,，當你伸展的時候,，波浪形也會像手風(fēng)琴的風(fēng)箱那樣變化。”Rogers說,。
Rogers作為共同創(chuàng)始人已經(jīng)在馬薩諸塞州萊克星頓建立了一個叫作MC10的公司,，明年該公司將開始推廣這種生物圖標設(shè)備：一種可以測量心電活動、體溫,、紫外線接觸等健康數(shù)據(jù)的臨時補丁,。Rogers表示，這種補丁將首先向個人消費者發(fā)放,，但其最終目標是醫(yī)療應(yīng)用,。在烏爾班納卡勒基金會的新生兒重癥病房中，醫(yī)生正在利用這些補丁無掃描,、無創(chuàng)傷地監(jiān)測新生兒的癥狀,，很快相關(guān)測試結(jié)果將會出現(xiàn)。MC10還在和比利時布魯塞爾一家名叫UCB的制藥公司合作,，測試一種可監(jiān)測帕金森氏癥患者震顫癥狀,，用來跟蹤疾病并監(jiān)測患者是否遵醫(yī)囑接受治療的補丁
Rogers的補丁相對較小，但是日本東京大學(xué)工程師,、材料學(xué)家染矢高雄已經(jīng)研制出一種面積相對更大的電子皮膚傳感器,。其最新的傳感器厚度僅有1微米，其質(zhì)量輕到可以像一片羽毛那樣漂浮在空氣中,，而且這種材料足夠牢固,，可以用于肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的靈活伸展活動。這種感應(yīng)器可以讀取溫度,、濕度,、脈搏、血液含氧量等,。
盡管皮膚電子可以獲得很多信息,，但是仍然需要深入身體內(nèi)部獲取更多信息。“醫(yī)生抽血是有原因的,。”麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師MichaelStrano說,，“血液中含有的標記可以精確地預(yù)測疾病。”
移動靶標
但是讓電路進入人體深層面臨許多新挑戰(zhàn)。Strano表示,，皮膚下的理想感應(yīng)器不僅應(yīng)該是無毒性的,，而且還可以根據(jù)需要在體內(nèi)穩(wěn)定使用數(shù)年，同時兼具可降解性等特點,，這意味著它們不能夠引發(fā)身體免疫系統(tǒng)的排斥,。然而，當前大多數(shù)設(shè)備均存在這樣或那樣的缺點,。
盡管如此,，一些研究人員的目標仍然是挑戰(zhàn)皮膚下的深層組織，對于他們來說,，靈活性和可降解性變得尤其重要,。如果一個感應(yīng)器和心臟或大腦等活動器官存在摩擦，當活體呼吸時細胞就會發(fā)生轉(zhuǎn)移,，身體就會迅速用瘢痕組織形成一道防火墻圍繞該組織,。讓感應(yīng)器隨著器官的律動活動，這種情況簡直不能實現(xiàn)
法國圣埃蒂安國立高等礦業(yè)學(xué)校生物電子工程師GeorgeMalliaras和同事正在研發(fā)靈活的感應(yīng)器,，以代替僵硬的感應(yīng)器,，并在體內(nèi)跟蹤典型病患者或帕金森氏癥患者大腦獨特的電子模式。這種采用有機,、可導(dǎo)電聚合物制作的靈活感應(yīng)器可以對化學(xué)信號——產(chǎn)生電子信號的流動離子——產(chǎn)生感應(yīng),。他表示，這不僅會增加敏感性,，而且還會讓研究人員“以一種完全不同的方式進行生物學(xué)研究”,。
Malliaras說，該團隊的最新成果已經(jīng)通過大鼠實驗,，并在兩名癲癇癥患者外科手術(shù)中進行了臨床試驗,，進而檢測到了個體神經(jīng)元放電。他補充說,，如果這一過程被逆轉(zhuǎn),，那么該感應(yīng)器將可以應(yīng)用于提供藥物。這種被稱為有機電子離子泵的設(shè)備可以通過強制給藥對施加的電壓（小的帶電粒子）產(chǎn)生反應(yīng),，Malliaras的團隊正在和林雪平大學(xué)以及法國國家健康與醫(yī)學(xué)研究院合作,，把他的癲癇感應(yīng)器和一個可以對癲癇發(fā)作產(chǎn)生感應(yīng)的離子泵連接在一起，把抗癲癇藥物釋放到正確的腦區(qū),。Berggren和林雪平大學(xué)團隊已經(jīng)利用類似技術(shù)研發(fā)了一種“疼痛感應(yīng)器”,，可以直接把止痛藥物傳輸?shù)郊顾枭窠?jīng)。
繼續(xù)推動
任何電子設(shè)備都會受到電源的限制,。貼在皮膚上或是靠近皮膚的感應(yīng)器可以直接接入無線獲取能量的天線——只要附近有可獲得的外部能量,。但是植入體內(nèi)的感應(yīng)器經(jīng)常需要依賴電池,，它們不僅會讓植入設(shè)備變得笨重，而且還需要置換,。而有一些設(shè)備,，例如Berggren的疼痛緩解泵，則需要把電線放置在皮膚上,，這樣不僅會非常累贅，而且可能形成潛在的感染路徑,。
為了克服此類問題,，亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院納米學(xué)家王中林在過去10年曾試圖捕捉人在行走甚至呼吸時產(chǎn)生的微弱機械能量。“我們開始思考,，怎樣才能把身體動能轉(zhuǎn)化成電能呢,？”他說。
他的最新設(shè)計是用一直以來被認為很惱人的靜電,，把呼吸產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成電能,，用來驅(qū)動相關(guān)的起搏器和感應(yīng)器。這個“發(fā)電機”利用夾在電極和連接電路之間的兩個不同聚合物表面,。當使用者呼吸時,，兩個表面會發(fā)生接觸然后分開，從而交換電子——就像一個氣球和一塊羊毛布料摩擦?xí)r那樣,。“吸氣,、呼氣，前后移動或是上下移動,，然后就會產(chǎn)生能量,。”王中林說。
盡管這一技術(shù)是革命性的變革,，但是通過體內(nèi)電路把健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C或是醫(yī)學(xué)中心仍然面臨潛在的威脅,，而且這個威脅已經(jīng)對可穿戴設(shè)備行業(yè)帶來困擾：那就是隱私泄露。“當一個半導(dǎo)體芯片被植入人體之后,，‘黑客’竊密就是一個真正嚴肅的問題了,。”染矢高雄說。
而且不管這項技術(shù)有多好,，專家表示,，新材料行業(yè)同時還面臨著新一輪醫(yī)學(xué)法規(guī)的爭議。很多化學(xué)廠商擔(dān)心,，如果設(shè)備失敗會給它們帶來一系列的官司,，“所以還要給新材料使用踩剎車”，他說
Berggren知道前路漫長且障礙重重,。“現(xiàn)有的挑戰(zhàn)是把所有的東西整合在一起,。”他說,，“如今汽車行業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了這一點，而且成效顯著,。你很少看到有汽車會在半路拋錨后等待修理,，是否值得在人類中嘗試這項技術(shù)仍然是個疑問，但它絕對值得一試,。”
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