加州大學研發植入式O2傳感器可監測器官移植效果

指尖上的植入式O2傳感器

人體的每個部位都需要氧氣(O2)維持生理功能、產生能量和發揮作用。這對器官移植后顯得尤其重要，因為新器官需要迅速建立血液供應，并獲得足夠的O2，以便在新的宿主體內開始良好地運轉。否則，移植可能會失敗。

據麥姆斯咨詢報道，美國加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley，簡稱：UC Berkeley)的工程師開發出一款超聲波供電的植入式微型O2傳感器和用于雙向數據傳輸的外部收發器。該傳感器可以檢測器官從體內獲得的氧氣量，并在移植器官面臨危險時，向醫生發出早期預警。未來，該傳感器甚至可以用于測量多種其它重要的生物學參數。

超聲波供電的無線O2監測系統

光譜法測量氧含量，超聲波傳輸數據

加州大學伯克利分校和陳扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的Michel Maharbiz表示：“測量體內參數非常困難。當需要探測的不是可見結構，而是組織內分子(例如O2)的數量時，尤其困難。”

目前沒有任何成像技術可以直接呈現某器官接收的氧氣量。其它測量方法也受到限制，比如需要與器官有線連接，只能在接近皮膚的地方進行觀察，或者無法提供實時數據等。Maharbiz和他的團隊利用專業知識制造出能夠與外界通訊的植入式微型O2傳感器，為解決該問題提供了一條新途徑。該傳感器長度不到0.5厘米，比普通瓢蟲還小，可以直接放置在器官上。

該團隊使用超聲波(一種醫學上用于成像的常規高頻聲波)為傳感器提供動力并傳輸數據信息。與光波不同，超聲波通過組織時很容易傳播，甚至可以實現與人體深處植入物的數據通訊。

這款微型O2傳感器的主要構成為：壓電晶體(750μm x 750μm x 750μm)、μLED光源、濾光片、帶有光檢測器的定制集成電路、具有生物相容性的O2傳感薄膜。該薄膜主要由聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成，其中包含二氧化硅顆粒和表面吸附的釕染料。在~465nm激發時，釕染料發出光的峰值強度為~621nm。激發的釕染料與O2分子發生碰撞猝滅，導致發光強度和壽命降低，然后通過帶有光檢測器的定制集成電路測量出氧含量。

植入式O2傳感器的工作原理和光學特性

“該項研究成果展示了如何使用超聲波結合非常巧妙的O2傳感技術，來設計能夠深入到組織中的無線植入式傳感器，進而從器官中持續獲取數據。”Maharbiz說。

穿透皮膚，實現組織深處的測量

發表在《自然生物技術》(Nature Biotechnology)上的研究中，研究人員展示了新型器件植入羊體內后有效工作的場景，這款新型傳感器提供了與有線探頭相似的讀數，但不需要采用有線連接方式。他們還通過10厘米的豬肌肉測量，展示了該傳感器如何在組織深處發揮作用。

在常氧、高氧和低氧的情況下通過手術植入無線O2傳感器并進行記錄結果

盡管將這些成功的測試轉化為臨床應用，仍有大量工作要做，但研究人員對微型O2傳感器的效果持樂觀態度。“該傳感器的一項潛在應用是監測器官移植，因為在器官移植后的幾個月內，可能會發生血管并發癥，而這些并發癥可能導致移植物功能障礙。”博士后研究員Soner Sonmezoglu介紹說，他負責領導將O2傳感技術整合到器件中，并設計了控制芯片和讀出器件。

2019年，全球每小時進行17.5例器官移植。更密切地監視這些器官的狀態可以幫助醫生在情況嚴重之前發現問題，并采取重要的救生干預措施。

通過調整傳感器的傳感薄膜可以測量其它重要的生物指標，研究人員相信他們開發的傳感器可能會有許多潛在應用。Sonmezoglu解釋說：“通過改進我們的O2傳感器測量平臺，研究人員可以測量pH值、活性氧、葡萄糖或二氧化碳等。此外，如果我們借助先進封裝技術使其尺寸更小，則可以想象能夠用針或通過腹腔鏡手術將其置入體內，從而使植入過程更加容易。”