新知｜“侵入”人体的电子设备你准备好了吗

翻译 | 小虫

校译 | 陈晓雪

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研究者们想要将人的身体与感应器联结一体，网络信息，改变医疗的未来。

望着人群，约兰古斯塔夫松（Gran Gustafsson）想到的却是汽车——现在的人就像是在流水线上淘汰了好几十年的老款车。
而本日，古斯塔夫松说，汽车都配备了顶尖的感应器、打算机和繁芜的信息互换系统。
当代交通工具之以是不会溘然涌现灾害性的崩溃，便是由于这些系统尚能轻松办理问题时就发出了警告。

“为什么在我们自己的身体上却看不到这样的景象呢？” 古斯塔夫松思虑道。
他所在的团队位于瑞典西斯塔，这家名为 Acreo 的电子公司和环球许许多多的团队一样，同样致力于将人的身体和感应器联结起来。
如果这一景象能够实现，我们就不会由于检测不到一些康健问题，末了去了医院——就像一辆车在路边抛锚。
这些团队描述了这样一个未来：人类的身体也和预警装置连接起来，就像汽车一样。

古斯塔夫松团队和瑞典林雪平大学（Linkping University）的研究者们已经开拓出了基于皮肤表层的和植入式的两种感应器，以及一个体内的内联网。
内联网能够在担保隐私的同时，将身体和不同的设备联系起来。
其他一些团队正在研发其他的技能，比如能够感应动脉硬化（心脏病产生发火逼近的旗子暗记）的皮肤贴片，以及可以探测癫痫痉挛并自动开释药剂直达大脑危害部位的装置。

与多数已经在体内利用的起搏器和其他电子设备不同，新一代的设备在设计上试图做到与身体组织共同运行，而不是相互分离。
但是要使它们成为有机的一体并不是件随意马虎的事，特殊是对材料科学家们来说。
他们必须将电路急剧地缩小，做出优柔的、可拉伸的、不被身体感应到的电子装置，还要想到创新的方法，在身体内做出与外界系统联结的端口。
要想使这些设备夜以继日地监测并治疗身体，还同时哀求新的供电办法和新的信息传送办法。
如此，古斯塔夫松的愿景才有可能实现。

不过，这个项目改进当前医疗卫生状况并降落医疗本钱的潜力，依然吸引了研究者和年夜夫们前来接管这个寻衅，伊利诺伊大学厄巴纳—喷鼻香槟分校材料科学家约翰罗杰斯（John Rogers）说。
“我还没见到任何一个临床学的人说，‘这跟天上掉馅饼一样没着落，二十年往后再来找我吧！
’相反，他们都说，‘天哪，那听起来真炫酷。
我们现在有三种办法可以利用它，以是我们什么时候开始互助？’”罗杰斯说。

罗杰斯还说，和身体交织在一起的感应器可以说是智好手机和可穿着设备的自然延伸。
“我认为电子设备正在朝我们走来，间隔我们越来越近。
我认为这让我们很自然地想象到它们终极将会和我们的身体紧密地成为一体。
”

1 深至皮肤

电线连接的生命

如果能战胜一些望而生畏的寻衅，植入身体的感应器能够在人们的疾病恶化之前就给出警告。

左：安装在皮肤上的感应器在装卸上都很随意马虎，并能得到关于呼吸、心率和其他生命体征的高质量信息。
但它们必须得十分优柔且易拉伸，才跟得上身体的自然运动。

右：注射进皮肤的感应器能够得到在血液中藏匿着的化学旗子暗记。
这种装置必须有很长的寿命并且有很好的生物相容性，这样才不会引发免疫系统的反应。

要超越可穿着设备，第一步将会是在皮肤上直接安装无线感应器。
这些感应器可以从皮肤上获取一系列的体征信息，包括温度、脉搏和呼吸频率等。
“不幸的是，作为生物，我们的身体会波折拉伸，还会膨胀，”罗杰斯说，这意味着用僵硬的硅晶片电子元件来做的传统感应器是一个糟糕的选择。

以是他的团队开拓了一种“表皮电子元件（epidermal electronics）”。
这种装满感应器的粘贴式膜片非常灵巧，可以生物降解，利用者险些觉得不到它的存在，像贴着一次性纹身一样。

这些膜片利用普通的硅电子组件，利用一个橡皮印章就可以印成优柔的薄薄一层 。
这些补丁膜片从附近的磁场或者无线电波中得到电源，并利用可以拉伸、扭动或波折的“S”状电线与天线。
“它们采取了波浪式的几何形态，以是当你拉伸的时候，这个波浪形状电线就会像手风琴风箱一样变革。
”罗杰斯先容说。

罗杰斯同时是一家叫MC10的子公司的共同创始人。
这个公司位于麻省列克星敦，将在明年推广BioStamps的新设备。
BioStamps 是一种临时性的贴片，可以丈量心电活动、水合活动、身体温度和对紫外线的暴露程度。
这一贴片首先会涌如今消费市场，罗杰斯说，但他终极的目标医疗系统。

这种贴片正在厄巴纳的卡尔基金会医院进行临床试验，用来对新生儿重症监护病房里新生儿的生命体征进行监测，这就摆脱让人不胜其烦的电线和扫描器，估量结果很快就会出来。
MC10 也在和布鲁塞尔的一家制药公司 UCB 互助，测试另一种贴片。
这种贴片能够监测帕金森综合症患者的震颤情形，并跟踪他们的病情与服药情形。

罗杰斯做的贴片相对较小，但在东京大学，工程师染谷隆夫（Takao Someya ）也已经研制出一种承载感应元件的电子皮肤，还可以做成更大的尺寸 。
他最近做出的的膜片只有1微米厚，轻到能够像羽毛一样漂浮，却又非常强韧，能够从容应对身体拉伸和膝部与肘部运动所产生的皱褶。
它能供应温度（伤口部位的温度可表示着传染的可能性）、湿度、脉搏与血液氧浓度的数据。

染谷隆夫能做到这点是由于他直接扔掉了硅电子的那一套，而利用十分优柔的有机碳基聚合物和其他材料。
这些有机电路能直接被打印在一张塑料胶片上，这让大量生产变得便宜又大略。
不仅如此，它在高温和湿润的环境下也能正常事情。

这种皮肤模式也引发了斯坦福大学工程师鲍哲楠的灵感。
她的团队制作出一种非常薄的压力传感器，用两张电子胶片将微米级的橡胶金字塔像三明治一样夹住 。
纵然是一丝轻触也会挤压这些金字塔的顶端，带来两张胶片之间电流的改变。

这些传感器能够用于监测通过动脉的压力波的速率。
这样就能暴露出血管硬度是否增加，预测可能的心脏病突发。
去年，美国食品和药物管理局批准了一个能内置于高危心脏病患者心脏内的无线压力感应装置。
要知道，鲍式装置在皮肤表面就能完成类似的事情。

植入心脏、大脑或者其他更深处组织的装置会直接从源头获取信息，并在须要的情形下运送药物或触发刺激。
但它们须要在不借助电线的情形下想办法得到电力并输出信息。

虽然安装在皮肤表面的贴片非常有用，但只有更深入身体内才能得到更多的信息。
“在医院抽血是有缘故原由的”，麻省理工学院的化学工程师迈克尔斯特拉诺（Michael Strano）如是说,“血液里有许多标记物可以很好地预测疾病。
”

但是探索得越深，新的寻衅也会越多。
斯特拉诺以为，空想的话，表皮下的感应系统不仅要无毒，还要能在须要的情形下，在身体里稳定事情很多年，而且还得有生物相容性——即感应系统不能引发身体免疫系统的反应。
可是目前的装置都或多或少地有缺陷。
比如说，在血液里常常被用作探测化学旗子暗记，即生物标记物，常日利用降解速率很快的生物质料。

这对一个高等的实时感应器来说，是一个很严重的限定，比如用于监测糖尿病患者体内葡萄糖的装置，斯特拉诺说，采取的酶反应探测方法会产生过氧化氢，而过氧化氢能够快速地降解感应器，以至于人们每隔几周都得改换一个感应器。

为办理这个问题，斯特拉诺的实验室里研发出一种复合长效探测材料，用它和水性凝胶稠浊在一起，就能像纹身一样被注射到皮肤下面。
纹身的“墨水”由涂有悬空聚合物链的纳米管组成，这种拥有锁匙化学构造的聚合物链能够决定哪些分子能够在上面停靠 。
当生物标记物与聚合物链接的时候，它们会奥妙地改变纳米管的光学特性：在纹身上发光，以显示生物标记物的存在。

斯特拉诺和他的团队已经有开拓用于检测血液中一氧化氮的碳纳米管感应器 。
这种炎症标记物可能表明传染，乃至癌症的存在。
他们现在正在跟葡萄糖和皮质醇打交道——皮质醇这种应激标记物对监测创伤后应激障碍和焦虑障碍十分有用。
一氧化氮感应器能在大鼠体内事情 400 天。

据斯特拉诺说，这是他知道的目前事情最长，同时不引发免疫系统的植入性感应器。
不过许多其他类型的装置还没有定论。
“很多电子材料，特殊是塑料的和有机的，它们对身体的长远影响仍旧是未知的。
”鲍哲楠说。

现在斯特拉诺正在和麻省理工学院的工程师丹尼尔安德森（Daniel Anderson）共同研发可以将感应器和运送药物系统结合起来的设备。
他们希望改造麻省理工学院同事罗伯特兰格（Robert Langer）率先研制的微芯片，对一系列的触激做出反应，并开释由复合胶囊包裹的相应药物。
第一个“芯片药房（pharmacy on a chip）”的人体试验是在2012年，在八个骨质疏松的女士身上实现，但那时没有利用感应器。

要让这些设备准确地检测病症并自动做出回应，可能还须要很长的一段韶光，不过糖尿病这个已被广泛研究的问题可能除外。
斯特拉诺说，他的装置和特定目标分子结合时确实表现精良，可是生物标记所发出旗子暗记的颠簸在康健方面究竟意味着什么，依然是个大问题。
他的团队正试图仿照体内生物标记物，以帮助决定感应器的得当位置以及反应速率，而得到有用的信息。

“常日你须要依赖许多不同的感应参数做出决定。
某一种化学反应的突出表现并不敷以帮我们做出合理的判断”，林雪平大学电子工程师、古斯塔夫松的互助者马格努斯伯格伦（Magnus Berggren）这么说。

2 更深入身体

一些研究者的目标仍旧是更深入身体，对他们来说，灵巧性和生物相容性变得更为主要。
如果一个感应器和心脏或大脑等活动器官产生摩擦，身体就会迅速形成一道疤痕组织墙包围这些器官。
而且，如果感应器随器官产生相对运动，其结果无论如何也不会可靠。

法国圣艾蒂安高档矿业学院（ Ecole Nationale Superieure des Mines de Saint-Etienne ）的生物电子工程师 George Malliaras 正和同事们研制更为优柔灵巧的感应器，以替代当前相对僵硬的感应器，并在体内跟踪癫痫患者或帕金森综合症患者的脑电图像。

这种由有机传导性复合股料制成的柔性电子元件可以对发出电子旗子暗记的离子流做出反应。
他表示，这不仅提高了灵敏度，而且可以让研究职员“以一种完备不同的的办法研究生物学”。

这个小组最新的研究成果已经通过大鼠实验，并在两名癫痫患者的外科手术中进行了临床试验。
Malliaras 说，试验证明，他们的设备能够探测到个体神经元放电。
如果这一过程能够被逆转，那么感应器将可以运用于运送药物。
这种被称为有机电子离子泵的装置可以通过逼迫给药，对施加的电压做出反应，并匆匆使药物——也便是很小的带电粒子——离开储电仓。

Malliaras 的团队正在与林雪平大学以及法国国家卫生与医学研究院（French National Institute of Health and Medical Research）互助，试图将他的癫痫感应器与一个可以对癫痫产生发火产生感应的离子泵连接在一起，把治疗癫痫的药物开释到精确的脑区。
伯格伦和林雪平大学团队已经利用类似的技能研发出一种“疼痛起搏器”，可以直接把镇痛剂传输到脊椎神经。

3 解除电能限定

任何电子设备都会由于电源问题而受到限定。
处在皮肤上或皮肤附近的设备能够通过天线进行无线充电，只要周围有电源。
但处在身体深部的设备常常就只能依赖电池了，而电池常日又是一大坨，还得时时改换。
而有一些设备，例如伯格伦的止痛泵，线路常常须要穿过几层组织，全体过程不仅相称操心，而且还带来传染的可能性。

为理解决此类问题，亚特兰大佐治亚理工学院的纳米科学家王中林在过去十年曾试图想办法网络人在走路，乃至在呼吸时产生的微量机器能。
“我们开始思考，如何将身体的动能转化成电能呢？”他说。

经由长长的思虑，王中林最新的设计利用静电将我们呼吸的动能转化成电能，以驱动起搏器。
这个发电机利用了两个不同的复合面，而这两个面又被夹在电极之间并与电路相连。

当利用者呼吸的时候，两个复合面不断打仗分离，交流电子——就像用羊毛布摩擦气球所产生的效果一样。
这样，积聚的电荷创造了线路里的电流。
“呼气吸气，往前往后，蹲下站起，你都在发电”，王中林说。

从 2014 年开始，王中林开始在大鼠身上测试该系统，并通过这个几张纸厚的设备得到了毫瓦的电力。
现在他的团队正在猪身上测试该技能。

罗杰斯的团队已经制作出了可生物降解的电池。
这种电池由用镁和其它金属做成的电极构成，不仅在低浓度的环境下很安全，而且会在身体里缓慢降解。
“有些设备你可能会想在病人身上用一辈子，但有的你只希望它暂时在那里”，罗杰斯说。

4 威胁个人隐私

这些技能可能是革命性的，可是通过体内的电子线路向外界打算机或者医疗中央传输信息也面临着威胁，这一威胁已经在可穿着家当涌现——黑客。
“当一个半导体芯片被植入身体之内，黑客确实是一个严重的问题”，染谷隆夫说。

一个办理办法便是让设备自己解析数据，减少向外运送无线电波。
另一个办法是完备避免向外运送无线电波。
在一个尚未发布的研究中，瑞典团队已经研发出了一种体内内联网，利用身体里的水作为电线，以低频率的状态传输旗子暗记。

要想让设备与设备之间或者设备和智好手机之间通报信息，利用者的手必须要与这些东西进行肢体打仗。
这样可以使这些旗子暗记保持低功率和隐私化，并避免过多的信息交流壅塞本来就被手机与无线路由器弄得一团糟的信息传输频率。

“信息只会在你的身体内传输和显示”，伯格伦说。
他还补充说，该系统已经通过身体交流电子标签物体之间的数据，并传输到智好手机，而且将很快集成到皮肤上的感应器。

然而，无论这些设备多么棒，新材料的开拓者们还要在各种医疗监管的舆论里挣扎，Malliaras 说。
药剂供应商也担心，这些设备万一出了问题，他们将被卷入各种诉讼，“这使得采取新材料的进程迟迟无法向前”。

伯格伦与 Acreo 的互助者率先考试测验将人类与各种电子设备连接在一起。
但他们欣然承认，愿景要变为现实，须要多个企业和研究团队的互助，同时还须要保险公司与医疗供应方的参与。

伯格伦明白，现在还有很多阻碍。
“难就难在如何把各个环节领悟在一起”，他说。
“但是，他们在汽车行业里已经做的很成功。
你很少在路边看到成队的车辆等待修理。
同样的事能不能在人身上成功还是个问号，但它绝对值得一试。
”

Malliaras 赞许他的意见，“一辆车你用个十年就差不多了，可身体你可能会想要用个八九十年。
身体可要精贵得多。
”

原文标题“the body electronic\公众, 刊登于 2015 年 12 月 3 日出版的《Nature》，原链接请点击文末“阅读原文”。

参考文献：

Kim, D.-H. et al. Science 333, 838–843 (2011).

Kaltenbrunner, M. et al. Nature 499, 458–463 (2013).

Schwartz, G. et al. Nature Commun. 4, 1859 (2012).

Zhang, J. et al. Nature Nanotechnol. 8, 959–968 (2013).

Iverson, N. M. et al. Nature Nanotechnol. 8, 873–880 (2013)

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