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【中國(guó)化工儀器網(wǎng) 技術(shù)前沿】科學(xué)家嘗試用其獲取大量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)健康，它們距離我們已經(jīng)越來(lái)越近，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會(huì)水乳交融
GoranGustafsson眼睛看著行人，腦里想著汽車(chē)——那些數(shù)十年前裝配線(xiàn)上生產(chǎn)的老模型。Gustafsson說(shuō)，今天的汽車(chē)已經(jīng)配備了高端的感應(yīng)器、計(jì)算機(jī)和交流系統(tǒng)，可以在情況依然可控時(shí)提示存在的問(wèn)題，這正是現(xiàn)代汽車(chē)較少讓駕駛?cè)税l(fā)生災(zāi)難性事故的原因。
“為什么我們不在人體中嘗試同樣的事情呢？”瑞典Acreo電子公司工程師Gustafsson曾有過(guò)這樣的想法，這個(gè)位于斯德哥爾摩近郊希斯塔的公司是全世界試圖實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的公司之一。就像不讓汽車(chē)在中途拋錨一樣，為了不讓健康隱患暗中潛伏——直到患者進(jìn)入醫(yī)院才發(fā)現(xiàn)病癥，這些研究團(tuán)隊(duì)希望在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，把人類(lèi)像汽車(chē)那樣裝扮起來(lái)，給人類(lèi)穿戴上可以形成類(lèi)似早期預(yù)警系統(tǒng)的感應(yīng)器
Gustafsson的團(tuán)隊(duì)和瑞典林雪平大學(xué)的研究人員一起合作，研發(fā)出了一些像皮膚一樣薄的可植入感應(yīng)器，還有一個(gè)體內(nèi)“局域網(wǎng)”，可以讓這些感應(yīng)器在獨(dú)立發(fā)揮作用的同時(shí)彼此相互連接在一起。其他一些團(tuán)隊(duì)正在研究從可感應(yīng)動(dòng)脈硬化（心臟病發(fā)作的信號(hào)）的皮膚補(bǔ)丁到探測(cè)癲癇發(fā)作并自動(dòng)向受影響區(qū)域直接提供藥物的感應(yīng)設(shè)備。
這些下一代設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是和人體組織協(xié)同作用，而不是像現(xiàn)有的大多數(shù)心臟起搏器和其他電子設(shè)備那樣獨(dú)自發(fā)揮作用。但是讓這些設(shè)備融會(huì)貫通需要的技術(shù)絕不簡(jiǎn)單，尤其是對(duì)材料學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們需要把相關(guān)電路大大縮短，制作出靈活、可伸展、不被人體組織覺(jué)察的電路，并找到與人體創(chuàng)建接口的新通道。如果實(shí)現(xiàn)Gustafsson的設(shè)想——用設(shè)備一天天監(jiān)控和治療人體，同樣還需要開(kāi)辟新的能量來(lái)源和傳遞信息的新方式。
現(xiàn)在，面對(duì)大幅提高健康管理同時(shí)降低相關(guān)花費(fèi)的挑戰(zhàn)，研究人員和臨床醫(yī)生已經(jīng)躍躍欲試，美國(guó)伊利諾伊州立大學(xué)材料學(xué)家JohnRogers說(shuō)。“我碰到的臨床醫(yī)生沒(méi)有人會(huì)說(shuō)‘那簡(jiǎn)直就是天上的餡餅、不切實(shí)際，不信過(guò)20年看一看結(jié)果。’”他說(shuō)，“相反，他們會(huì)說(shuō)‘哇，這個(gè)想法太棒了。我們現(xiàn)在可以通過(guò)3種渠道使用它，不如一起合作嘗試一把。’”
把感應(yīng)器移入體內(nèi)是手持智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的自然延伸，Rogers說(shuō)。“電子設(shè)備正迎面撲來(lái)。”他說(shuō)，“它們距離我們已經(jīng)越來(lái)越近，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會(huì)水乳交融。”
薄如皮膚
超越可穿戴設(shè)備的第一步將是可直接用于皮膚的無(wú)線(xiàn)感應(yīng)器，它們可以收集大量重要信號(hào)，如體溫、脈搏、心率等。但Rogers表示，不利的是，“它們?cè)谏飳W(xué)上需要具備可靈活彎曲、拉伸和膨脹的特點(diǎn)”，因此傳統(tǒng)上用硬硅膠制作的電子感應(yīng)器并非良好選擇。
他和團(tuán)隊(duì)為此研發(fā)了一種“皮膚電子”：靈活的、可生物降解的補(bǔ)丁，其內(nèi)部填塞了讓使用者幾乎感覺(jué)不到的感應(yīng)器。像很多臨時(shí)紋身那樣，這些補(bǔ)丁利用的是普通的硅電子，但卻非常薄，并利用“橡膠圖章”為里襯可以靈活運(yùn)動(dòng)。利用S形的電線(xiàn)和可伸展、彎曲的天線(xiàn)，這個(gè)補(bǔ)丁可以從附近的磁場(chǎng)獲取能量或是通過(guò)捕捉無(wú)線(xiàn)電波獲取能量。“它們利用的是波浪的幾何特點(diǎn)，當(dāng)你伸展的時(shí)候，波浪形也會(huì)像手風(fēng)琴的風(fēng)箱那樣變化。”Rogers說(shuō)。
Rogers作為共同創(chuàng)始人已經(jīng)在馬薩諸塞州萊克星頓建立了一個(gè)叫作MC10的公司，明年該公司將開(kāi)始推廣這種生物圖標(biāo)設(shè)備：一種可以測(cè)量心電活動(dòng)、體溫、紫外線(xiàn)接觸等健康數(shù)據(jù)的臨時(shí)補(bǔ)丁。Rogers表示，這種補(bǔ)丁將首先向個(gè)人消費(fèi)者發(fā)放，但其最終目標(biāo)是醫(yī)療應(yīng)用。在烏爾班納卡勒基金會(huì)的新生兒重癥病房中，醫(yī)生正在利用這些補(bǔ)丁無(wú)掃描、無(wú)創(chuàng)傷地監(jiān)測(cè)新生兒的癥狀，很快相關(guān)測(cè)試結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)。MC10還在和比利時(shí)布魯塞爾一家名叫UCB的制藥公司合作，測(cè)試一種可監(jiān)測(cè)帕金森氏癥患者震顫癥狀，用來(lái)跟蹤疾病并監(jiān)測(cè)患者是否遵醫(yī)囑接受治療的補(bǔ)丁
Rogers的補(bǔ)丁相對(duì)較小，但是日本東京大學(xué)工程師、材料學(xué)家染矢高雄已經(jīng)研制出一種面積相對(duì)更大的電子皮膚傳感器。其最新的傳感器厚度僅有1微米，其質(zhì)量輕到可以像一片羽毛那樣漂浮在空氣中，而且這種材料足夠牢固，可以用于肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的靈活伸展活動(dòng)。這種感應(yīng)器可以讀取溫度、濕度、脈搏、血液含氧量等。
盡管皮膚電子可以獲得很多信息，但是仍然需要深入身體內(nèi)部獲取更多信息。“醫(yī)生抽血是有原因的。”麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師MichaelStrano說(shuō)，“血液中含有的標(biāo)記可以精確地預(yù)測(cè)疾病。”
移動(dòng)靶標(biāo)
但是讓電路進(jìn)入人體深層面臨許多新挑戰(zhàn)。Strano表示，皮膚下的理想感應(yīng)器不僅應(yīng)該是無(wú)毒性的，而且還可以根據(jù)需要在體內(nèi)穩(wěn)定使用數(shù)年，同時(shí)兼具可降解性等特點(diǎn)，這意味著它們不能夠引發(fā)身體免疫系統(tǒng)的排斥。然而，當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備均存在這樣或那樣的缺點(diǎn)。
盡管如此，一些研究人員的目標(biāo)仍然是挑戰(zhàn)皮膚下的深層組織，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，靈活性和可降解性變得尤其重要。如果一個(gè)感應(yīng)器和心臟或大腦等活動(dòng)器官存在摩擦，當(dāng)活體呼吸時(shí)細(xì)胞就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，身體就會(huì)迅速用瘢痕組織形成一道防火墻圍繞該組織。讓感應(yīng)器隨著器官的律動(dòng)活動(dòng)，這種情況簡(jiǎn)直不能實(shí)現(xiàn)
法國(guó)圣埃蒂安國(guó)立高等礦業(yè)學(xué)校生物電子工程師GeorgeMalliaras和同事正在研發(fā)靈活的感應(yīng)器，以代替僵硬的感應(yīng)器，并在體內(nèi)跟蹤典型病患者或帕金森氏癥患者大腦獨(dú)特的電子模式。這種采用有機(jī)、可導(dǎo)電聚合物制作的靈活感應(yīng)器可以對(duì)化學(xué)信號(hào)——產(chǎn)生電子信號(hào)的流動(dòng)離子——產(chǎn)生感應(yīng)。他表示，這不僅會(huì)增加敏感性，而且還會(huì)讓研究人員“以一種完全不同的方式進(jìn)行生物學(xué)研究”。
Malliaras說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的最新成果已經(jīng)通過(guò)大鼠實(shí)驗(yàn)，并在兩名癲癇癥患者外科手術(shù)中進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，進(jìn)而檢測(cè)到了個(gè)體神經(jīng)元放電。他補(bǔ)充說(shuō)，如果這一過(guò)程被逆轉(zhuǎn)，那么該感應(yīng)器將可以應(yīng)用于提供藥物。這種被稱(chēng)為有機(jī)電子離子泵的設(shè)備可以通過(guò)強(qiáng)制給藥對(duì)施加的電壓（小的帶電粒子）產(chǎn)生反應(yīng)，Malliaras的團(tuán)隊(duì)正在和林雪平大學(xué)以及法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院合作，把他的癲癇感應(yīng)器和一個(gè)可以對(duì)癲癇發(fā)作產(chǎn)生感應(yīng)的離子泵連接在一起，把抗癲癇藥物釋放到正確的腦區(qū)。Berggren和林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用類(lèi)似技術(shù)研發(fā)了一種“疼痛感應(yīng)器”，可以直接把止痛藥物傳輸?shù)郊顾枭窠?jīng)。
繼續(xù)推動(dòng)
任何電子設(shè)備都會(huì)受到電源的限制。貼在皮膚上或是靠近皮膚的感應(yīng)器可以直接接入無(wú)線(xiàn)獲取能量的天線(xiàn)——只要附近有可獲得的外部能量。但是植入體內(nèi)的感應(yīng)器經(jīng)常需要依賴(lài)電池，它們不僅會(huì)讓植入設(shè)備變得笨重，而且還需要置換。而有一些設(shè)備，例如Berggren的疼痛緩解泵，則需要把電線(xiàn)放置在皮膚上，這樣不僅會(huì)非常累贅，而且可能形成潛在的感染路徑。
為了克服此類(lèi)問(wèn)題，亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院納米學(xué)家王中林在過(guò)去10年曾試圖捕捉人在行走甚至呼吸時(shí)產(chǎn)生的微弱機(jī)械能量。“我們開(kāi)始思考，怎樣才能把身體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能呢？”他說(shuō)。
他的最新設(shè)計(jì)是用一直以來(lái)被認(rèn)為很惱人的靜電，把呼吸產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，用來(lái)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的起搏器和感應(yīng)器。這個(gè)“發(fā)電機(jī)”利用夾在電極和連接電路之間的兩個(gè)不同聚合物表面。當(dāng)使用者呼吸時(shí)，兩個(gè)表面會(huì)發(fā)生接觸然后分開(kāi)，從而交換電子——就像一個(gè)氣球和一塊羊毛布料摩擦?xí)r那樣。“吸氣、呼氣，前后移動(dòng)或是上下移動(dòng)，然后就會(huì)產(chǎn)生能量。”王中林說(shuō)。
盡管這一技術(shù)是革命性的變革，但是通過(guò)體內(nèi)電路把健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠坑?jì)算機(jī)或是醫(yī)學(xué)中心仍然面臨潛在的威脅，而且這個(gè)威脅已經(jīng)對(duì)可穿戴設(shè)備行業(yè)帶來(lái)困擾：那就是隱私泄露。“當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體芯片被植入人體之后，‘黑客’竊密就是一個(gè)真正嚴(yán)肅的問(wèn)題了。”染矢高雄說(shuō)。
而且不管這項(xiàng)技術(shù)有多好，專(zhuān)家表示，新材料行業(yè)同時(shí)還面臨著新一輪醫(yī)學(xué)法規(guī)的爭(zhēng)議。很多化學(xué)廠商擔(dān)心，如果設(shè)備失敗會(huì)給它們帶來(lái)一系列的官司，“所以還要給新材料使用踩剎車(chē)”，他說(shuō)
Berggren知道前路漫長(zhǎng)且障礙重重。“現(xiàn)有的挑戰(zhàn)是把所有的東西整合在一起。”他說(shuō)，“如今汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，而且成效顯著。你很少看到有汽車(chē)會(huì)在半路拋錨后等待修理，是否值得在人類(lèi)中嘗試這項(xiàng)技術(shù)仍然是個(gè)疑問(wèn)，但它絕對(duì)值得一試。”
文章鏈接：中國(guó)化工儀器網(wǎng) http://www.chem17.com/news/Detail/85175.html
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