加州大学研发植入式O2传感器可监测器官移植效果

指尖上的植入式O2传感器

人体的每个部位都需要氧气(O2)维持生理功能、产生能量和发挥作用。这对器官移植后显得尤其重要，因为新器官需要迅速建立血液供应，并获得足够的O2，以便在新的宿主体内开始良好地运转。否则，移植可能会失败。

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley，简称：UC Berkeley)的工程师开发出一款超声波供电的植入式微型O2传感器和用于双向数据传输的外部收发器。该传感器可以检测器官从体内获得的氧气量，并在移植器官面临危险时，向医生发出早期预警。未来，该传感器甚至可以用于测量多种其它重要的生物学参数。

超声波供电的无线O2监测系统

光谱法测量氧含量，超声波传输数据

加州大学伯克利分校和陈扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的Michel Maharbiz表示：“测量体内参数非常困难。当需要探测的不是可见结构，而是组织内分子(例如O2)的数量时，尤其困难。”

目前没有任何成像技术可以直接呈现某器官接收的氧气量。其它测量方法也受到限制，比如需要与器官有线连接，只能在接近皮肤的地方进行观察，或者无法提供实时数据等。Maharbiz和他的团队利用专业知识制造出能够与外界通讯的植入式微型O2传感器，为解决该问题提供了一条新途径。该传感器长度不到0.5厘米，比普通瓢虫还小，可以直接放置在器官上。

该团队使用超声波(一种医学上用于成像的常规高频声波)为传感器提供动力并传输数据信息。与光波不同，超声波通过组织时很容易传播，甚至可以实现与人体深处植入物的数据通讯。

这款微型O2传感器的主要构成为：压电晶体(750µm x 750µm x 750µm)、µLED光源、滤光片、带有光检测器的定制集成电路、具有生物相容性的O2传感薄膜。该薄膜主要由聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成，其中包含二氧化硅颗粒和表面吸附的钌染料。在~465nm激发时，钌染料发出光的峰值强度为~621nm。激发的钌染料与O2分子发生碰撞猝灭，导致发光强度和寿命降低，然后通过带有光检测器的定制集成电路测量出氧含量。

植入式O2传感器的工作原理和光学特性

“该项研究成果展示了如何使用超声波结合非常巧妙的O2传感技术，来设计能够深入到组织中的无线植入式传感器，进而从器官中持续获取数据。”Maharbiz说。

穿透皮肤，实现组织深处的测量

发表在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)上的研究中，研究人员展示了新型器件植入羊体内后有效工作的场景，这款新型传感器提供了与有线探头相似的读数，但不需要采用有线连接方式。他们还通过10厘米的猪肌肉测量，展示了该传感器如何在组织深处发挥作用。

在常氧、高氧和低氧的情况下通过手术植入无线O2传感器并进行记录结果

尽管将这些成功的测试转化为临床应用，仍有大量工作要做，但研究人员对微型O2传感器的效果持乐观态度。“该传感器的一项潜在应用是监测器官移植，因为在器官移植后的几个月内，可能会发生血管并发症，而这些并发症可能导致移植物功能障碍。”博士后研究员Soner Sonmezoglu介绍说，他负责领导将O2传感技术整合到器件中，并设计了控制芯片和读出器件。

2019年，全球每小时进行17.5例器官移植。更密切地监视这些器官的状态可以帮助医生在情况严重之前发现问题，并采取重要的救生干预措施。

通过调整传感器的传感薄膜可以测量其它重要的生物指标，研究人员相信他们开发的传感器可能会有许多潜在应用。Sonmezoglu解释说：“通过改进我们的O2传感器测量平台，研究人员可以测量pH值、活性氧、葡萄糖或二氧化碳等。此外，如果我们借助先进封装技术使其尺寸更小，则可以想象能够用针或通过腹腔镜手术将其置入体内，从而使植入过程更加容易。”