一場被科研人員趨之若鶩的醫(yī)療科技更迭之爭，卻極有可能助力一輪醫(yī)療服務(wù)模式、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)格局的變革。
幾十年前，約蘭·古斯塔夫松每日看著人來人往，心中不時(shí)思忖的卻是汽車——如何下線生產(chǎn)線的老化模型。今天，古斯塔夫松告知世人，汽車是由最前沿尖端的傳感器、計(jì)算機(jī)以及能夠預(yù)警故障的先進(jìn)復(fù)雜的通訊系統(tǒng)便捷組配而成，這正是現(xiàn)代交通工具罕見帶給駕駛者災(zāi)難性事故的個(gè)中要因。
“我們?yōu)槭裁床荒苡|類旁通地如此審視人類的機(jī)體？”身為瑞典電子公司Acreo工程師的古斯塔夫松不禁自省，如今他的團(tuán)隊(duì)已成為全球?qū)⑦@一理念付諸實(shí)踐的諸多先行者之一。不再上演直至患者住院才使健康問題浮出水面的悲劇，它們無異于汽車拋錨，而是在不久的將來，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)借助類似汽車傳感器的連線設(shè)備早期、及時(shí)防范各型各類健康隱患。
與瑞典林雪平大學(xué)的研究者一道，古斯塔夫松帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出皮膚表層及植入式傳感器，如同一個(gè)可接載外部設(shè)備又可確保個(gè)人安全的體內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從藉探測動(dòng)脈硬化程度反映心臟病發(fā)作預(yù)判的皮膚貼膜，到癲癇發(fā)作檢測設(shè)備以及直達(dá)腦部病灶區(qū)的自動(dòng)給藥裝置，其他研究小組的技術(shù)也緊鑼密鼓。
組織功能訂制是這類新型裝備的設(shè)計(jì)內(nèi)核，而非同目前常用的起搏器及其他電子設(shè)備那般孤立行事。整合絕非易事，尤其對于材料科學(xué)家，他們既要大幅瘦身電路，還要確保電子器件柔韌靈活、拉伸自如且不能對組織產(chǎn)生明顯刺激，這就必須以創(chuàng)新方式建起機(jī)體接口。為達(dá)成愿望——研發(fā)全天候不間斷監(jiān)測與治療設(shè)備，新電源、新信息傳遞路徑成為當(dāng)務(wù)之急。
直至目前，在提升醫(yī)療服務(wù)品質(zhì)的前提下削減醫(yī)療費(fèi)用仍是科研人員、臨床醫(yī)生無可回避的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，美國伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)家約翰·羅杰斯如是認(rèn)定。“我沒有聽到哪位臨床人士抱怨‘那是異想天開，20年以后再說吧，’他們總是說‘這太酷啦。我們該如何開始合作？’”
在羅杰斯看來，植入式傳感器無疑是手持智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備的一種自然延伸。“電子產(chǎn)品正朝你走來，將越來越近。”他坦承，“最終將與人類身體完美整合，一切都是那么順理成章。”
由表及里
要超越可穿戴設(shè)備，首先必須研制出直接貼服于皮膚的無線傳感器，獲知體溫、脈搏、呼吸頻率等一系列生命體征數(shù)據(jù)。令羅杰斯倍感遺憾的是，“彎曲、拉伸、腫脹是組織的基本生物學(xué)行為，而硬硅晶片材質(zhì)的傳統(tǒng)電子器件根本無法滿足功能需求。”
不久，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明出“表皮電子”（epidermal electronics），這款靈便可彎曲、可生物降解的黏性貼膜密布傳感器，用戶卻絲毫感覺不到它們的存在。酷似臨時(shí)紋身，貼膜選用正常硅電子，經(jīng)過減薄工藝，通過橡皮圖章轉(zhuǎn)接至靈活的支持裝置。借助臨近磁場，或由S型線和天線捕捉無線電波，可為貼膜供電。得益于幾何學(xué)波浪圖形原理，軀體伸展時(shí)波形可實(shí)時(shí)變化，如同手風(fēng)琴式波紋管。
羅杰斯與合伙人創(chuàng)立了一家衍生公司——MC10，位于馬塞諸塞州列克星敦市——2016年將正式啟動(dòng)生物印章（BioStamps）的市場營銷。這款臨時(shí)貼膜輕薄如一張粘紙，可實(shí)時(shí)監(jiān)測心臟電活動(dòng)、水合反應(yīng)、體溫和紫外線暴露量。他透露，雖然初期面向普通消費(fèi)者，醫(yī)用才是研發(fā)初衷。在美國卡爾慈善醫(yī)院的新生兒重癥監(jiān)護(hù)室，滿眼侵入性導(dǎo)線和監(jiān)測儀的景象不復(fù)存在，醫(yī)生換用生物印章無創(chuàng)觀測新生兒生命體征，循證數(shù)據(jù)即將出爐。除此，MC10還與總部設(shè)于布魯塞爾的制藥公司UCB協(xié)作開展臨床試驗(yàn)，監(jiān)控帕金森病患者的震顫發(fā)作，進(jìn)而實(shí)時(shí)追蹤病情進(jìn)展、及時(shí)判定藥物干預(yù)時(shí)機(jī)。
羅杰斯研發(fā)的皮膚貼膜趨向小型化，日本東京大學(xué)的工程師染矢高雄著手制出的傳感器負(fù)載電子皮膚也僅1微米纖薄，雖輕如鴻毛般漂浮，卻足以穩(wěn)健契合肘關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)日常必須的拉伸與扭曲運(yùn)動(dòng)。它可輕松讀取體溫——傷口部位升溫往往提示感染可能——濕度、脈搏、血氧濃度。他的技術(shù)路線是，在硅電子表面建造電路后將有機(jī)電路附印于塑料薄膜，凸顯成本優(yōu)勢、易于批量投產(chǎn)，而且耐高溫、適應(yīng)水性環(huán)境。
美國斯坦福大學(xué)有機(jī)電子技術(shù)專家鮑哲南同樣在皮膚傳感器研發(fā)領(lǐng)域頗具建樹。由她團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的“薄壓力傳感器”的本質(zhì)是將微米級橡膠金字塔加載于兩層薄膜間，即便輕微觸壓金字塔頂端，薄膜間的電流量也會(huì)產(chǎn)生變化。應(yīng)用于心臟可以追蹤動(dòng)脈壓力波速度，推測血管僵硬度進(jìn)展，得出心臟病發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)。2014年，美國食品藥品監(jiān)督管理局獲準(zhǔn)該款無線壓力傳感器產(chǎn)品用于晚期心臟病患者。鮑哲南領(lǐng)銜研發(fā)的傳感器設(shè)備可經(jīng)由皮膚表面殊途同歸。
有學(xué)者提出，植入機(jī)體越深可能意味著獲取的信息越多。“這也就解釋了，為何醫(yī)務(wù)人員更愿意選擇血液檢查，”美國麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師邁克爾·斯特拉諾總結(jié)指出，“因?yàn)檠簶?biāo)志物的疾病預(yù)測價(jià)值得天獨(dú)厚。”
理想狀況下，皮下傳感器不僅無毒，必要時(shí)可常年在體內(nèi)穩(wěn)定執(zhí)行既定功能，而且具備生物兼容性——這意味著不會(huì)觸發(fā)機(jī)體的免疫反應(yīng)。現(xiàn)實(shí)則是，絕大多數(shù)現(xiàn)行裝置無法兼而有之。例如，靶向血液中被稱為生物標(biāo)志物的化學(xué)信號傳感器通常由生物材料制成，后者在體內(nèi)被迅速降解。這無疑成為當(dāng)前監(jiān)測糖尿病患者血糖水平的新型實(shí)時(shí)傳感器的重要技術(shù)壁壘，據(jù)斯特拉諾介紹：它主要經(jīng)過測定酶反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫濃度反映血糖波動(dòng)狀態(tài)。由于這一化學(xué)過程同時(shí)觸發(fā)傳感器的生物降解過程，終致使用壽命僅短短數(shù)周。
如今，斯特拉諾所在的實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出人工合成、長使用周期的監(jiān)測裝置材料，它們可混合入水基凝膠，被如紋身般刺入皮下。所用的“墨汁”由涂有懸掛聚合物鏈的碳納米管組成，具有鎖鑰式化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠識(shí)別生物標(biāo)志物。一旦生物標(biāo)志物與聚合物結(jié)合，它們即可巧妙改變納米管的光學(xué)性質(zhì)：相應(yīng)紋路光亮度增加提示存在生物標(biāo)志物。
繼而，斯特拉諾及其團(tuán)隊(duì)還將碳納米管傳感器延展至監(jiān)測血液一氧化氮濃度——這是提示炎癥狀態(tài)，甚至癌癥風(fēng)險(xiǎn)的一種炎癥標(biāo)志物——以及血糖和皮質(zhì)醇水平，后兩者被證實(shí)是監(jiān)測創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、焦慮狀態(tài)的應(yīng)激生物標(biāo)志物。小鼠實(shí)驗(yàn)顯示一氧化氮傳感器可連軸運(yùn)行400天，截至目前，這是據(jù)斯特拉諾所知工作時(shí)程最長且毫無機(jī)體免疫反應(yīng)隱患的植入式化學(xué)傳感器。對于很多其他類型的設(shè)備，結(jié)論還有待分曉，“電子材料，特別是塑料材質(zhì)和有機(jī)物來源的，長期影響尚不得而知”。鮑哲南表示。
如今，斯特拉諾正與美國麻省理工學(xué)院工程師丹尼爾·安德森一道鉆研新的設(shè)備技術(shù)——附加給藥系統(tǒng)的復(fù)合型傳感器設(shè)備。受學(xué)院工程師羅伯特·蘭格通過一系列觸發(fā)機(jī)制誘導(dǎo)聚合物膠囊適時(shí)釋放藥物成果的啟發(fā)，他們決定率先攻關(guān)微晶片技術(shù)。2012年，尚無傳感器部件的“芯片藥房”啟動(dòng)首項(xiàng)人體試驗(yàn)，對象是8位女性骨質(zhì)疏松患者。
此前很長一段時(shí)期內(nèi)，人們對此類裝置的最大期冀是能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)治療疾病。特異性結(jié)合目標(biāo)分子成為斯特拉諾研制設(shè)備一大優(yōu)勢，然而仍舊未能解除有關(guān)生物標(biāo)志物信號波動(dòng)可否確切提示健康狀況的固有質(zhì)疑。目前，他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而致力于人類生物標(biāo)志物模擬試驗(yàn)，回答傳感器的最佳定位以及能以何種效率快速提供有價(jià)值信息兩大現(xiàn)實(shí)問題。正與格斯塔夫協(xié)作研發(fā)的瑞典林雪平大學(xué)電子工程師瑪格努斯·伯格恩提醒同道，“通常情況下，你必須依靠林林總總的感知參數(shù)作出決策。單一化學(xué)信號高表達(dá)往往難以一錘定音。”
目標(biāo)導(dǎo)向
當(dāng)前，仍有不少研究者寄希望于再進(jìn)一步深入機(jī)體內(nèi)部，為達(dá)成目的，靈活性、生物兼容性的重要性尤其凸顯。一旦僵硬的傳感器與心臟、腦等運(yùn)動(dòng)性器官組織發(fā)生摩擦，猶如動(dòng)物呼吸時(shí)引發(fā)的細(xì)胞移位，傳感器將迅速被機(jī)體的瘢痕組織包繞其中。無論何種情況下，只要傳感器相對于器官組織產(chǎn)生移動(dòng)，所得結(jié)果的可靠性可能蕩然無存。
作為靈活傳感器研發(fā)大軍中的佼佼者，法國圣埃蒂安國立高等礦業(yè)學(xué)校生物電子學(xué)工程師喬治及其團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定于取代現(xiàn)行追蹤癲癇病或帕金森病患者腦內(nèi)獨(dú)特電傳導(dǎo)模式的較硬材質(zhì)傳感器。由有機(jī)物、導(dǎo)電聚合體制備而成的柔性電子器件可捕獲到化學(xué)信號——那些可以引發(fā)電學(xué)改變的離子流。如此，在敏感性提升同時(shí)，研究者能“以與既往截然不同的方式揭秘生物學(xué)世界”。
經(jīng)小鼠實(shí)驗(yàn)和兩位手術(shù)患者觀察證實(shí)，喬治團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的傳感器裝置可準(zhǔn)確檢測到單個(gè)神經(jīng)元放電。這個(gè)所謂“組織電離子泵”對藥物——小電荷顆粒——誘導(dǎo)的外加電壓可引發(fā)水庫開閘效應(yīng)。借助瑞典林雪平大學(xué)以及法國國家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究所合作者的協(xié)同指導(dǎo)，喬治團(tuán)隊(duì)的癲癇病傳感器成功實(shí)現(xiàn)與離子泵整合一體，通過執(zhí)行腦部靶點(diǎn)給藥功有效控制癲癇發(fā)作。伯格恩及林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)也依賴相同技術(shù)制成“鎮(zhèn)痛起搏器”（pacemaker for pain），達(dá)成直接髓內(nèi)給藥夙愿。
任何一種電子裝置都難免被“電源”束手束腳。只要附近設(shè)有電源裝置，皮膚表層或皮下裝置完全可以通過一體化天線借無線方式獲取充足電能。相比，植入體內(nèi)的傳感器必須標(biāo)配電池，它們往往又大又重，存定期更換不便。以伯格恩的鎮(zhèn)痛泵為例，傳感器導(dǎo)線不得不穿出上覆組織，累贅繁瑣、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)無一避免。
面對困境，不少人選擇迎難而上，也有人愿意繞道前行。美國佐治亞理工學(xué)院納米科學(xué)家王中林多年從事于利用人類在行走甚至呼吸過程中的微弱機(jī)械產(chǎn)能。“我們不懈思忖，如何能將機(jī)體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能？”他的最新設(shè)計(jì)落腳于人們避之若浼的靜電，將人體呼吸這類日常生理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為足以維持起搏器運(yùn)行的工作能量。發(fā)電機(jī)采用兩種不同的聚合物表面，以三明治模式穿插于電極間，再與電路連接。在使用者呼吸過程中，兩層多聚物表面時(shí)而接觸時(shí)而遠(yuǎn)離，順勢完成電子交換。電荷積聚必然使電流貫通導(dǎo)線，“吸氣、呼氣，前進(jìn)、后退，上抬、下壓，這一系列運(yùn)動(dòng)即可誘導(dǎo)合成能量。”
2014年開始，王中林嘗試在小鼠身上檢測該系統(tǒng)時(shí)，通過僅有幾張紙厚度的設(shè)備成功收集到毫瓦級能量。現(xiàn)今，他的團(tuán)隊(duì)力圖在豬身上再建新功。
羅杰斯的團(tuán)隊(duì)也已利用鎂合金電極創(chuàng)建出生物降解電池，“有些裝置，你可能希望他們能終身使用。而另有一些，短期臨時(shí)應(yīng)用即可滿足需求。”
隱私保護(hù)
技術(shù)可能堪屬革命性的，將機(jī)體的傳感器數(shù)據(jù)輸送給外部計(jì)算機(jī)或醫(yī)學(xué)中心卻使可穿戴設(shè)備行業(yè)痛迎一大威脅：黑客。染矢高雄警醒到：“一旦半導(dǎo)體芯片被植入人體，黑客將衍生為真實(shí)世界中的巨大災(zāi)難。”
一個(gè)解決方案是自力更生，即經(jīng)傳感器自身分析原始數(shù)據(jù)，以減少空中電波傳送量。另一個(gè)可行措施則是釜底抽薪，這意味著需要徹底規(guī)避電波。據(jù)尚未正式發(fā)表研究透露出的訊息，瑞典研究者已經(jīng)構(gòu)建起機(jī)體內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，它以體內(nèi)水份作為導(dǎo)線可成功實(shí)現(xiàn)低頻信號傳輸。為了兌現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備，或設(shè)備與智能手機(jī)之間的信息遞送，使用者必須借助雙手觸及目標(biāo)對象。此種方式不僅可以確保信號的低功率屬性與個(gè)人隱私，還能夠有效回避移動(dòng)電話、無線路由器飽受詬病的數(shù)據(jù)傳輸擁堵現(xiàn)象。“數(shù)據(jù)傳輸和隱私曝光只是發(fā)生在你的體內(nèi)，”伯格恩認(rèn)定，從機(jī)體到智能手機(jī)的電子標(biāo)記對象之間的數(shù)據(jù)交換在該系統(tǒng)面前不再是難事，集成皮膚傳感器問世也將為時(shí)不遠(yuǎn)。
有人預(yù)判，新材料研發(fā)的先行者將會(huì)引發(fā)一場反對醫(yī)療監(jiān)管的浪潮。伴隨著化工供應(yīng)商對故障設(shè)備可能引發(fā)訴訟風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂，喬治建議，“對新型材料應(yīng)用亟需勒緊韁繩”。
雖然被稱為將一系列設(shè)備與人類有線連接領(lǐng)域的創(chuàng)始者，但伯格恩與Acreo的合作者欣然承認(rèn)，使愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要多家公司、多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)全力付出，更需要保險(xiǎn)公司、醫(yī)療保健提供者傾情參與。
在伯格恩心目中，探索路上的最大障礙在于“化零為整”。汽車行業(yè)帶給他莫大的振動(dòng)：“人們極少在路邊見到等候維修救援的故障車輛。我們能否做到還是個(gè)問號，但這絕對值得一試。”喬治深有同感，“一輛汽車的使用期限通常不短于十年，而人類的生存時(shí)間長達(dá)八九十年之久，它的珍貴性毋庸置疑。”
“有線”生活：皮膚表層或植入式傳感器可以在患病或病情惡化前預(yù)警健康問題，但還需克服諸多艱巨挑戰(zhàn)。
安置于皮膚表層的傳感器易于使用或移除，它們能提供諸如呼吸、心率、血壓及其他生命體征的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。然而，它們必須足夠柔韌靈活與屈伸自如，以便貼合于機(jī)體的日常運(yùn)動(dòng)。
通過靶向血液生物標(biāo)志物化學(xué)信號，植入皮下的傳感器如同一把開啟信息寶庫的鑰匙。唯有具備使用周期長、生物兼容性特質(zhì)的皮下傳感器，才能有效規(guī)避機(jī)體的免疫反應(yīng)觸發(fā)。
Epidermis 表皮
Dermis 真皮
Subcutaneous tissue 皮下組織
Carbon-nanotube-based sensors 碳納米管傳感器
心臟、腦或其他深部組織的植入式裝置可以從源頭直接搜集數(shù)據(jù)，抑或執(zhí)行特定部位給藥、刺激等任務(wù)。使用前提是，它們必須內(nèi)置電源并實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。
Flexible brainsensor 柔性腦傳感器
Flexible heartpacemaker 柔性心臟起搏器
Spine-implantedion pump 脊柱注入泵