戈蘭·古斯塔夫松看著人們，想到了汽車——幾十年前從裝配線下線的舊車型。古斯塔夫松說，如今的汽車配備了尖端的感測器、計算機和複雜的通訊系統，可以在問題仍然容易解決時發出警告，這就是為什麼現代汽車很少讓駕駛員因災難性故障而感到意外。
“為什麼我們對自己的身體沒有類似的願景呢？”古斯塔夫松想知道，他是一位工程師，他在位於基斯塔的瑞典電子公司 Acreo 的團隊是世界上眾多試圖實現這一願景的團隊之一。這些團隊預見，未來人類將像汽車一樣連線起來，配備類似的早期預警系統的感測器，而不是讓健康問題在一個人最終住院時才被發現——這相當於醫療領域的路邊故障。
古斯塔夫松的團隊與瑞典林雪平大學的研究人員合作，開發了皮膚表面和植入式感測器，以及可以連線裝置同時保持裝置私密的體內內聯網。其他團隊正在開發各種技術，從檢測動脈僵硬（預示心臟病發作的訊號）的皮膚貼片，到檢測癲癇發作並自動將藥物直接輸送到大腦受影響區域的裝置。
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這些下一代裝置旨在與組織一起發揮作用，而不是像大多數起搏器和已在體內使用的其他電子裝置那樣與組織隔離。但要使這種整合發揮作用並非易事，尤其是對於材料科學家而言，他們必須從根本上縮小電路，製造組織無法察覺的柔性和可拉伸電子裝置，並找到創新的方法來建立與身體的介面。實現古斯塔夫松的願景——裝置日復一日地監測和治療身體——還需要新的電源和新的資訊傳輸方式。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的材料科學家約翰·羅傑斯說，儘管如此，在大幅改善醫療保健的同時降低其成本的潛力吸引了研究人員和醫生迎接挑戰。“我還沒有遇到任何臨床醫生說‘那是空中樓閣，20年後回來找我’，”他說。“他們說，‘哇，太酷了。這裡有三種我們今天可以使用的方案，我們如何開始合作？’。”
羅傑斯說，編織到體內的感測器是手持智慧手機和可穿戴裝置的自然延伸。“我認為電子產品正在向你走來，”他說。“它正在越來越近，我認為想象它們最終將與身體緊密結合是非常自然的事情。”
皮膚深處
超越可穿戴裝置的第一步是將無線感測器直接安裝在皮膚上，在那裡它們可以拾取大量生命體徵，包括體溫、脈搏和呼吸頻率。不幸的是，羅傑斯說，“生物學涉及彎曲、拉伸和腫脹”，這使得由堅硬的矽晶片製成的傳統電子裝置成為此類感測器的非常糟糕的選擇。
他的團隊開發了“表皮電子產品”：柔性、可生物降解的貼上式貼片，貼片上塞滿了感測器，但使用者幾乎無法察覺。這些貼片像臨時紋身一樣貼上，使用普通的矽電子器件，但經過減薄並透過橡皮圖章轉移到柔性背襯上。這些貼片透過附近的磁場或透過收集無線電波來獲取電力，使用設計用於拉伸、扭曲和彎曲的 S 形導線和天線。“它們採用波浪形幾何形狀，因此當您拉伸時，波浪形狀會發生變化，就像手風琴風箱一樣，”羅傑斯說。
羅傑斯與人共同創立了一家衍生公司——MC10，總部位於馬薩諸塞州列剋星敦——該公司明年將開始將該裝置的版本作為 BioStamps 銷售：臨時貼片，用於測量心臟電活動、水合作用、體溫和紫外線照射。羅傑斯說，這些貼片將首先向消費者提供，但他的真正目標是醫學。預計很快將公佈厄巴納卡勒基金會醫院新生兒重症監護室的一項試驗結果，醫生們正在使用這些貼片來監測新生兒的生命體徵，而無需使用侵入性電纜和掃描器。MC10 還與總部位於布魯塞爾的製藥公司 UCB 合作，對一種貼片進行測試，該貼片監測帕金森病患者的震顫，以跟蹤他們的病情以及他們是否正在服藥。
羅傑斯的貼片相對較小，但在東京大學，工程師染谷隆夫創造了一種載有感測器的電子皮膚，可以製成更大的片狀。他的最新薄膜只有 1 微米厚，非常輕，可以像羽毛一樣漂浮，但它足夠堅固，可以應對與肘部或膝蓋彎曲所需的拉伸和褶皺。它可以提供有關溫度（傷口中的熱量可以發出感染訊號）、溼度、脈搏和血液中氧氣濃度的讀數。染谷透過完全拋棄矽來實現這一點，而是使用由碳基聚合物和其他材料製成的固有柔軟的有機元件。有機電路可以印刷到塑膠薄膜上，使其廉價且易於大量生產。而且它們用途廣泛：它們可以在高溫和水基環境中工作。
斯坦福大學加利福尼亞州的工程師鮑哲楠也從皮膚中獲得靈感。她的團隊透過將微米級橡膠金字塔夾在薄膜之間來建立薄型壓力感測器。即使是輕微的觸控也會壓縮金字塔的尖端，從而改變薄膜之間電流的流動方式。這些感測器可用於心臟監護儀，以跟蹤壓力波透過動脈的速度。這可以揭示血管僵硬度的增加——心臟病發作的預測指標。去年，美國食品和藥物管理局批准了一種無線壓力感測器，可以植入晚期心臟病患者的心臟內；鮑的裝置可以從皮膚表面完成類似的工作。
圖片來源：Nature
儘管皮膚貼片可能很有用，但在身體深處可以獲得更多資訊。“醫院抽血是有原因的，”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院 (MIT) 的化學工程師邁克爾·斯特拉諾說。“血液中有一些標誌物非常擅長預測疾病。”
但深入研究會帶來新的挑戰。斯特拉諾說，理想情況下，皮膚下的感測器不僅應該無毒，而且應該足夠穩定，以便在體內工作多年（如果需要），並且具有生物相容性——這意味著它們不會觸發身體的免疫反應。然而，目前大多數裝置在一個或另一個方面都存在不足。例如，檢測血液中稱為生物標誌物的化學訊號的感測器通常使用生物材料，這些材料會很快降解。斯特拉諾說，對於目前用於監測糖尿病患者血糖水平的先進即時感測器來說，這是一個嚴重的限制：這些裝置透過產生過氧化氫的酶反應來檢測葡萄糖。這會迅速降解感測器，以至於它們必須在幾周內更換。
為了解決這個問題，斯特拉諾的實驗室開發了合成的、長壽命檢測器材料，可以將這些材料與水基凝膠混合，並像紋身一樣注射到皮膚下。這種紋身的“墨水”由碳奈米管組成，碳奈米管塗有懸掛的聚合物鏈，聚合物鏈具有鎖和鑰匙的化學結構，可透過指示哪些分子可以與它們對接來識別生物標誌物。當生物標誌物與聚合物結合時，它們會微妙地改變奈米管的光學特性：將光照射在紋身上，光芒會顯示生物標誌物的存在。
斯特拉諾和他的團隊開發了碳奈米管感測器來監測血液中的一氧化氮——一種炎症標誌物，可以指示感染甚至癌症——並且正在研究葡萄糖和皮質醇，一種壓力生物標誌物，可能被證明對監測創傷後應激障礙和焦慮症有用。一氧化氮感測器在小鼠體內工作了 400 天，據斯特拉諾所知，這是任何植入式化學感測器在體記憶體在時間最長的一次，並且沒有引起任何免疫反應。對於許多其他型別的裝置，情況仍不明朗。“對於電子材料，尤其是塑膠基和有機材料，它們的長期影響仍然未知，”鮑說。
現在，斯特拉諾開始與麻省理工學院工程師丹尼爾·安德森合作開發可以將感測器與藥物輸送系統結合起來的裝置。他們希望改進麻省理工學院工程師羅伯特·蘭格開創的微晶片，透過釋放封裝在聚合物膠囊中的適當藥物來響應一系列觸發因素。2012 年，在 8 名患有骨質疏鬆症的女性中，首次進行了藥物輸送“晶片藥房”（不帶感測器）的人體試驗。
除非糖尿病（已被廣泛研究），否則需要很長時間才能將此類裝置用於可靠地檢測疾病並自動治療疾病。斯特拉諾的裝置非常擅長僅與其目標分子結合，但關於生物標誌物訊號的波動實際上對健康意味著什麼，仍然存在很大的疑問，他說。他的團隊正在對體內的生物標誌物進行建模，以幫助確定感測器需要放置在哪裡以及它應該以多快的速度做出反應才能提供有用的資訊。“通常你需要依靠許多不同的感官引數來做出決定。僅僅一種化學物質過度表達是不夠的，”林雪平大學的電子工程師馬格努斯·伯格倫說，他正在與古斯塔夫松合作。
移動目標
一些研究人員的目標位於身體更深處，對於他們來說，柔韌性和生物相容性甚至更為重要。如果一個剛性感測器摩擦心臟或大腦等移動的器官，其中細胞會隨著動物的呼吸而略微移動，身體會很快用疤痕組織牆將其包圍。而且，如果感測器相對於器官移動，無論如何結果都將不可靠。
法國加爾丹納聖艾蒂安國立高等礦業學院的生物電子工程師喬治·馬利亞拉斯和他的同事們正在開發柔性替代品，以取代目前用於追蹤癲癇症或帕金森病患者大腦中獨特電模式的相對剛性的感測器。這些柔性電子器件由有機導電聚合物製成，可響應化學訊號——產生電模式的離子流。他說，這不僅提高了靈敏度，而且還讓研究人員“以完全不同的方式與生物學互動”。
馬利亞拉斯說，該團隊最新的裝置已在老鼠以及兩名接受癲癇手術的人類身上進行了測試，檢測到了單個神經元的放電。他補充說，如果這個過程顛倒過來，感測器就可以用來輸送藥物。稱為有機電子離子泵的裝置透過施加電壓來響應，從而迫使藥物（小的帶電粒子）從儲液器中流出。馬利亞拉斯的團隊與林雪平大學小組和法國國家健康與醫學研究院馬賽分院合作，正在將他的癲癇感測器與離子泵耦合，離子泵透過將癲癇藥物釋放到大腦的正確部位來響應癲癇發作。伯格倫和林雪平團隊使用類似的技術開發了一種“疼痛起搏器”，將鎮痛藥直接輸送到脊髓。
保持運轉
任何電氣裝置都受到其對電力的需求的限制。位於皮膚上或附近的裝置可以整合無線收集電力的天線——只要附近有外部電源。但體內更深處的感測器通常必須依賴電池，電池體積龐大且需要更換。有些裝置，例如伯格倫的止痛泵，需要將電線穿過覆蓋組織——這種佈置既笨重又可能導致感染（參見'Wired for life'）。
為了解決這些問題，佐治亞理工學院亞特蘭大分校的奈米科學家王中林在過去十年中一直試圖收集人們走路甚至呼吸時產生的微量機械能。“我們開始思考，如何將身體運動轉化為電能？”他說。
他的最新設計使用長期以來被認為是滋擾的靜電，將吸氣和呼氣的運動轉化為足夠的能量來為起搏器供電。該發電機使用兩個不同的聚合物表面，夾在電極之間並連線在電路中。當用戶吸氣和呼氣時，表面接觸並分離，交換電子——這與用羊毛布摩擦氣球時發生的情況相同。電荷的積累導致電流流過導線。“吸氣和呼氣，來回移動或上下驅動，你就會產生電力，”王說。
從 2014 年開始，王開始在老鼠身上測試該系統，從厚度為幾張紙的裝置中產生毫瓦級的能量。現在他的團隊正在豬身上測試相同的技術。
羅傑斯的團隊使用由鎂和其他低濃度下安全的金屬製成的電極建立了可生物降解的電池，這些金屬會在體內緩慢溶解。“有些裝置您希望在患者的整個生命週期內使用。在另一些裝置中，您只需要並且希望裝置是臨時的，”羅傑斯說。
個人隱私
這項技術可能是革命性的，但有線人體將資料傳送到外部計算機或醫療中心的願景面臨著可穿戴裝置行業已經面臨的威脅：駭客攻擊。“當半導體晶片被引入體內時，駭客攻擊是一個非常嚴重的問題，”染谷說。
一種解決方案是在裝置本身上分析資料，從而減少透過無線電波傳送的資料量。另一種方案是完全避免無線電波。在尚未發表的工作中，瑞典團隊開發了一種體內內聯網，該內聯網以低頻率使用人體內的水作為其導線來傳輸訊號。為了在裝置之間或從裝置向智慧手機發送資訊，使用者必須用手物理接觸物體。這可以保持訊號低功率和私密性，並避免堵塞行動電話和無線路由器已經爭奪的資料傳輸頻率。“它僅在您的體內傳輸和暴露，”伯格倫補充說，他表示該系統已經可以透過人體在電子標記的物體和智慧手機之間交換資料，並將很快整合在皮膚感測器上。
馬利亞拉斯說，無論裝置多麼好，新材料的先驅者也將與醫療監管浪潮作鬥爭。他說，再加上化學品供應商擔心裝置故障可能會使他們容易受到訴訟，“這大大阻礙了新材料的採用”。
伯格倫和他在 Acreo 的合作者是最早嘗試透過連線人類來連線一系列裝置的人之一。但他們欣然承認，要使這一願景成為現實，將需要多家公司和研究團隊，以及保險公司和醫療保健提供商的參與。
伯格倫知道存在很大的障礙。“挑戰在於將所有東西組合在一起，”他說。“但他們在汽車行業做到了，這令人印象深刻。你很少看到汽車停在路邊等待維修。對於人類來說是否也有可能做到這一點仍然是一個問號，但絕對值得嘗試。”
馬利亞拉斯對此表示贊同。“一輛汽車你通常保留不到十年，”他說。“一個身體你想保留 80 或 90 年；它要珍貴得多。”
本文經許可轉載，並於2015 年 12 月 1 日首次發表。