一场被科研人员热切追捧的医疗技术变革之战，极有可能助力医疗服务模式和医疗产业结构的一轮变革。
几十年前，约兰·古斯塔夫森（Yoland Gustafsson）每天看着人来人往，但他一直在想的是汽车——下线的老化车型。
今天，古斯塔夫森告诉世界，汽车是由最先进的传感器、计算机以及可以提供故障早期预警的先进而复杂的通信系统方便地组装而成的。
这就是为什么现代交通很少给司机带来灾难性事故的原因。
主要原因。
“为什么我们不能这样看待人体呢？”瑞典电子公司 Acreo 的工程师古斯塔夫森忍不住问自己。
现在，他的团队已成为全球众多将这一理念付诸实践的先驱之一。
在不久的将来，医疗团队将不再等到患者因健康问题入院才出现（相当于汽车抛锚），而是依靠类似于汽车传感器的联网设备来及早及时预防各种类型的健康风险。
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Gustafsson 与瑞典林雪平大学的研究人员一起领导了一个团队开发皮肤表面和植入式传感器，这些传感器的作用就像一个体内网络系统，可以连接外部设备并确保人身安全。
其他研究小组也在研究各种技术，从通过检测动脉硬化来预测心脏病发作的皮肤贴片，到检测癫痫发作的设备，以及到达脑部病变的自动药物输送设备。
组织功能定制是这种新型设备设计的核心，而不是像当今常用的起搏器和其他电子设备那样孤立地发挥作用。
集成并不是一件容易的事，特别是对于材料科学家来说，他们不仅必须显着缩小电路，还要确保电子设备灵活、可拉伸，并且不会对组织造成明显刺激。
这需要创新的方法来构建身体界面。
为了实现这一愿望——研制全天候不间断监测和处理设备，新的电源和新的信息传输路径成为当务之急。
美国伊利诺伊大学材料科学家约翰·罗杰斯认为，到目前为止，在提高医疗服务质量的同时减少医疗费用仍然是科研人员和临床医生不可避免的现实挑战。
“我没有听到任何临床人员抱怨，‘这太异想天开了，要等到 20 年后再说。
’”他们总是说，‘这太酷了。
我们如何开始合作？’”在罗杰斯看来，植入式传感器是理所当然的。
它是手持智能手机和可穿戴设备的自然延伸。
“电子产品正在向你走来，越来越近。
”他承认，“最终它们会与人体完美融合，一切都会那么顺理成章。
“要从外到内超越可穿戴设备，我们首先必须开发出直接贴在皮肤上的无线传感器，以获得体温、脉搏、呼吸频率等一系列生命体征数据。
令罗杰斯遗憾的是，”弯曲、拉扯等。
拉伸和膨胀是组织的基本生物学行为，传统的由硬硅片制成的电子器件根本无法满足功能要求。
”很快，他的团队发明了“表皮电子产品”，一种柔性的、可生物降解的粘合薄膜，上面密密麻麻地布满了传感器，但使用者根本感觉不到它们的存在。
看起来就像是临时纹身，薄膜正常使用。
经过薄化处理后，电子设备通过橡皮图章转移到柔性支撑装置上，并且由于几何波形图案的原理，身体可以拉伸，该原理由附近的磁场或通过 S- 捕获无线电波提供动力。
波形可以实时变化，就像手风琴式的风箱一样，罗杰斯和他的合作伙伴成立了一家位于马萨诸塞州列克星敦的衍生公司，该公司将于今年正式启动 BioStamps 的营销。
该贴片薄如一张粘纸，可以实时监测心电活动、水合反应、体温和紫外线照射等。
他透露，虽然最初是面向普通消费者，但医疗用途才是其开发的初衷。
在美国卡尔慈善医院。
重症监护病房不再充满侵入性电线和监视器。
医生已转而使用生物密封来非侵入性地观察新生儿的生命体征。
此外，基于证据的数据即将发布。
此外，MC10还与总部位于布鲁塞尔的制药公司UCB合作。
开展临床试验，监测帕金森病患者的震颤发作，从而实时跟踪病情进展，及时确定药物干预时机。
罗杰斯开发的皮肤贴片趋于小型化，日本东京大学工程师Takao Someya开发的装载传感器的电子皮肤也在开发中。
仅1微米薄，轻如羽毛，可漂浮，但足够稳定，能够适应肘部或膝关节的日常伸展和扭转运动。
它可以轻松读取体温——伤口区域温度升高通常表明感染的可能性——湿度、脉搏、血氧浓度。
他的技术路线是在硅电子表面构建电路，然后在塑料薄膜上印刷有机电路，成本优势凸显，易于投入量产，并且耐高温、适应水性环境。
斯坦福大学有机电子技术专家鲍哲南在皮肤传感器研发领域也取得了巨大成就。
她的团队创造的“薄型压力传感器”的本质是在两层薄膜之间加载微米级的橡胶金字塔。
即使金字塔顶部被轻微触及，薄膜之间的电流量也会增加。
产生变化。
应用于心脏时，它可以跟踪动脉压力波速度，推断血管僵硬度的进展，并得出心脏病发作的风险。
2016年，美国食品和药物管理局批准了这款无线压力传感器产品用于晚期心脏病患者。
鲍哲南研发的传感器装置可以通过皮肤表面的不同路线到达同一个目的地。
一些学者认为，植入体内更深可能意味着获得更多信息。
“这也解释了为什么医务人员更愿意选择血液检测，”美国麻省理工学院化学工程师迈克尔·斯特拉诺总结道，“因为血液标记物对疾病具有独特的预测价值。
”理想情况下，皮下传感器不仅无毒，必要时可以在体内全年稳定地发挥其预期功能，而且它还具有生物相容性——这意味着它不会触发人体的免疫反应。
现实情况是，大多数当前设备无法同时做到这两点。
例如，针对血液中被称为生物标记物的化学信号的传感器通常由生物材料制成，这些材料在体内会迅速降解。
这无疑成为监测糖尿病患者血糖水平的新型实时传感器的重要技术障碍。
Strano表示，它主要通过测量酶反应产生的过氧化氢的浓度来反映血糖波动。
由于这种化学过程还会触发传感器的生物降解过程，因此最终的使用寿命只有几周。
现在，斯特拉诺的实验室已经开发出合成的、持久的监测设备材料，可以将其混合成水基凝胶并像纹身一样插入皮肤下。
使用的“墨水”由涂有悬挂聚合物链的碳纳米管组成，这些聚合物链具有锁钥匙化学结构，能够识别生物标记物。
一旦生物标记物与聚合物结合，它们就会微妙地改变纳米管的光学特性：相应线条的亮度增加表明生物标记物的存在。
随后，斯特拉诺和他的团队扩展了碳纳米管传感器，以监测血液中一氧化氮的水平（一种表明炎症甚至癌症风险的炎症标记物）以及血糖和皮质醇水平。
两者均已被证实是用于监测创伤后应激障碍和焦虑状态的压力生物标志物。
对小鼠的实验表明，一氧化氮传感器可以连续工作数天。
迄今为止，这是 Strano 所知的最持久的植入式化学传感器，且不存在免疫反应的风险。
对于许多其他类型的设备，目前还没有定论，而且“电子材料，尤其是由塑料和有机材料制成的电子材料的长期影响尚不清楚。
”包哲南说道。
现在，斯特拉诺正在与麻省理工学院的工程师丹尼尔·安德森合作开发新的设备技术——附有药物输送系统的复杂传感器设备。
受到大学工程师罗伯特·兰格通过一系列触发机制诱导聚合物胶囊及时释放药物的成就的启发，他们决定带头研究微芯片技术。
2017年，尚无传感器组件的“芯片药房”启动了首次人体试验，针对8名女性骨质疏松症患者。
长期以来，人们对此类设备最大的希望就是能够准确检测并自动治疗疾病。
与目标分子的特异性结合已经成为Strano设备的一大优势，但它仍然没有消除人们对生物标志物信号波动是否能够准确指示健康状况的固有疑问。
目前，他的团队正在开展人体生物标志物模拟实验，以回答两个实际问题：传感器的最佳定位以及它如何高效地快速提供有价值的信息。
与古斯塔夫合作研发的瑞典林雪平大学电子工程师马格努斯·伯根（Magnus Bergen）提醒同事：“通常情况下，你必须依靠广泛的感官参数来做出决定。
通常很难做出决定。
”通过单一化学信号的高表达做出最终决定。
”目标导向 目前，许多研究人员仍然希望能够更深入地了解身体。
为了实现他们的目标，灵活性和生物相容性尤为重要。
僵硬的传感器一旦与心脏、大脑等运动器官发生摩擦，就会像动物呼吸引起的细胞移位一样，传感器很快就会被人体的疤痕组织包围。
无论如何，只要传感器相对于器官组织发生移动，结果的可靠性就可能丧失。
作为柔性传感器开发领域的领导者，法国圣艾蒂安国立高等矿业学院的生物电子工程师 Georges 和他的团队的目标是取代目前更刚性的传感器，这些传感器跟踪传感器中独特的导电模式。
癫痫或帕金森病患者的大脑。
材料传感器。
由有机导电聚合物制成的柔性电子器件可以捕获化学信号——触发电变化的离子流。
这样，在提高灵敏度的同时，研究人员可以“以与以前完全不同的方式揭示生物世界”。
对小鼠的实验和对两名手术患者的观察证实，乔治团队新开发的传感器装置可以准确检测单个神经元的放电。
这种所谓的“组织离子泵”通过向药物（小带电粒子）施加电压来诱导储库打开效应。
在瑞典林雪平大学和法国国家健康与医学研究所合作者的协作指导下，George团队的癫痫传感器成功与离子泵集成，通过进行大脑靶向药物输送来有效控制癫痫发作。
伯格根和林雪平大学团队也依靠同样的技术打造了“疼痛起搏器”，实现了直接髓内给药的夙愿。
任何一种电子设备都不可避免地受到“电源”的束缚。
只要附近有供电设备，皮肤表面或皮下的设备就可以通过集成天线无线获取充足的电力。
相比之下，植入体内的传感器必须标配电池，而且电池往往又大又重，不方便定期更换。
以卑尔根的镇痛泵为例，传感器线必须穿过覆盖的组织，既麻烦又存在潜在感染的风险。
面对困难，很多人选择迎难而上，而另一些人则愿意绕道而行。
美国佐治亚理工学院纳米科学家王忠林多年来一直致力于利用人类行走甚至呼吸时产生的微弱机械能。
“我们不断思考如何将身体的运动转化为电能？”他的最新设计基于人们避免的静电，并将人类呼吸等日常生理运动转化为足以维持起搏器运行的工作能量。
该发生器使用夹在电极之间并连接到电路的两种不同的聚合物表面。
在使用者的呼吸过程中，两个聚合物表面时而接触，时而远离，一路完成电子交换。
电荷的积累必然导致电流流过电线。
“吸气、呼气、进、退、上、下，这一系列的动作，可以诱发能量的合成。
” 2018年初，当王忠林试图在老鼠身上测试这个系统时，在只有几张纸厚的装置中成功收获了毫瓦级的能量。
现在，他的团队正在努力在猪方面取得新的成就。
罗杰斯的团队还使用镁合金电极来制造可生物降解的电池。
“对于某些设备，您可能希望它们能够终生使用。
对于其他设备，短期临时应用程序将满足需求。
”隐私保护技术可能是革命性的，将人体的传感器数据传输到外部计算机或医疗中心让可穿戴设备行业面临重大威胁：黑客。
染谷隆夫警告说：“一旦半导体芯片被植入人体，黑客就会在现实世界中造成巨大的灾难。
”一种解决方案是自力更生，即由传感器本身分析原始数据，以减少传输的电波量。
另一个可能的步骤是拔掉插头，这意味着完全避开电波。
根据尚未正式发表的研究透露的信息，瑞典研究人员构建了一个体内互联网，可以成功地利用人体水作为导体传输低频信号。
为了将信息从设备传递到设备，或从设备传递到智能手机，用户必须用双手到达目标物体。
这种方法不仅可以保证信号的低功耗特性和个人隐私，还可以有效避免一直被手机和无线路由器诟病的数据传输拥塞现象。
“数据传输和隐私暴露只发生在你的身体内部，”卑尔根断定。
使用该系统，从身体到智能手机的电子标记物体之间的数据交换将不再困难，并且集成皮肤传感器的出现也将成为可能。
不远。
有人预测，新材料开发的先驱者将引发反对医疗监管的浪潮。
由于化学品供应商担心设备故障引发诉讼的风险，乔治建议“迫切需要加强对新材料应用的控制”。
尽管 Bergen 和 Acreo 被称为一系列设备和人类之间的有线连接领域的创始人，但他承认，将这一愿景变为现实需要多家公司、多个研究团队甚至更多保险公司的努力。
，医疗保健提供者积极参与。
在卑尔根看来，探索之路上最大的障碍就是“将碎片化为整体”。
汽车行业给了他很大的震撼：“人们很少看到路边等待修理救援的故障车辆，我们能不能做到还是一个问号，但绝对值得一试。
”乔治也有同样的感受，“一辆汽车的使用寿命通常不少于十年，而人类的寿命长达八十、九十年，其珍贵性毋庸置疑。
”《连线》生命：皮肤表面或植入的传感器可以检测疾病。
在健康问题恶化之前发出警告，但仍需克服许多挑战。
放置在皮肤表面的传感器易于使用或移除，它们提供有关呼吸、心率、血压和其他生命体征的高质量数据。
然而，它们必须足够灵活和灵活，以适应身体的日常运动。
通过瞄准血液生物标记物的化学信号，植入皮下的传感器就像打开信息宝库的钥匙。
只有使用寿命长、生物相容性好的皮下传感器才能有效避免触发人体的免疫反应。
表皮 真皮 皮下组织 基于碳纳米管的传感器 碳纳米管传感器 心脏、大脑或其他深层组织中的植入设备可以直接从源头收集数据，或在特定部位执行药物输送和刺激等任务。
使用的前提是它们必须具有内置电源并能够实现无线数据传输。