普通超声连续探测脑脊液生化指标的智能水凝胶【金点子】

博主点评：如果能无创连续检测大脑内生化变化，不仅具有疾病诊断和疾病监护价值，可能也具有脑功能研究的辅助价值。且这种信息的收集可能有助于加深对大脑生理特征的认识。这一研究创造性地设计了智能水凝胶，这种材料能对各种环境信息做出响应，而相应特征能被普通的超声设备检测和分析。这里研究了脑内的检测，显然对全身所有的组织都可以进行标记和分析。因此这将会迅速成为新型功能超声造影材料。如果适当进行修改，将来也许能作为新型血管造影剂的模式。利用这种材料能非常快速体现出身体任何部位的生化变化，这将对于临床干预的快速相应具有极其重要的意义。

随着压力、温度和pH值的变化而膨胀的软固体提供了一种检测大脑周围液体变化的方法。该方法可用于确定身体其他部位液体的其他特性。

糖尿病的许多衰弱影响可以通过监测血液或器官周围间质液中的葡萄糖浓度来减轻。但是，要持续这样做，就需要植入式葡萄糖传感器，尽管经过40年的研究，这些设备仍被证明是难以设计的1.原因之一是人体经常通过在植入设备周围形成纤维壳来做出反应，这会影响其性能。这种反应主要是由免疫反应引起的，因为植入传感器的电子元件比周围组织硬得多。Tang 等提出一种巧妙的方法，可以帮助规避这个问题，方法是使用柔软的生物相容性材料，允许将较硬的成分定位在皮肤表面。

在Tang及其同事的方法中，唯一植入的材料是一个边长仅为2毫米的立方体，该立方体使用皮下注射器注射。立方体由聚合物水凝胶制成，聚合物水凝胶是一种含有交联聚合物的软固体，使其能够吸收大量水而不会溶解。聚合物水凝胶比硬质电子设备具有更高的生物相容性。事实上，聚合物水凝胶已经以隐形眼镜的形式在人体上和人体中常规使用，并作为整容手术的可注射填充剂。

一些水凝胶可以被描述为“智能”，因为它们能够响应某些环境信号（例如温度或pH值的变化）自动收缩或膨胀。智能水凝胶还可以设计为在与感兴趣的生物物质（如葡萄糖）结合时膨胀或收缩3.结合会改变水凝胶内水的渗透压，从而使水凝胶吸收或释放水分。在过去的三十年中，由于利用了DNA适配体，智能水凝胶可以检测到的物质数量大大增加，DNA适配体是人工选择的短核酸链，可以共价连接到水凝胶聚合物上4.这些链的序列是专门选择的，以便它们选择性地与目标物质结合。

Tang 等设计了他们的智能水凝胶立方体，使它们会随着颅内腔（颅骨内容纳大脑的空间）中液体特性的变化而膨胀或收缩。为此，他们用三种类型的水凝胶制造了立方体，每种水凝胶都旨在响应温度、压力或pH值的变化（图1），尽管作者发现这三种水凝胶都对压力的变化很敏感。这种普遍的压力敏感性源于立方体的结构，每个立方体包含 25 个气柱，当环境压力增加时，这些气柱会被压缩。设计用于检测温度变化的智能水凝胶在温度升高时收缩，而用于pH值的水凝胶在pH值降低时膨胀。

图1 |一种检测颅内液体变化的非侵入性方法。Tang et al.2设计了一种使用超声波来测量颅内腔（颅骨内容纳大脑的空间）中液体的压力、温度和 pH 值变化的方法。将由水凝胶（一种软聚合物基固体）制成的微小立方体注入流体中，并用外部施加的超声脉冲进行探测。该信号的反射在峰值频率下具有最大强度，当立方体及其内部气柱响应颅内压降低或增加而变形时，该频率会发生变化。除了具有压敏响应的立方体外，作者还用“智能”水凝胶制成了立方体，这些水凝胶对温度或pH值的变化有特异性反应。

Tang等人的方法。将这些响应转换为电信号的设计特别具有创新性。它只需要一个标准的医用超声设备，在世界各地的医院和诊所中广泛使用。该装置将超声波信号发送到注射水凝胶的身体部位，并且该信号的反射在与气柱的周期性结构相关的峰值频率下具有最大强度。当立方体因温度、压力或pH值的变化而变形或膨胀时，该频率会发生变化，并且可以实时检测到这种变化。 

作者首先通过体外实验测试了他们的方法，证实了水凝胶的无毒性，并表明可以在距离传感器10厘米以上的地方检测到其膨胀方式的变化。然后，他们进行了实验，将水凝胶注射到大鼠和猪的颅内腔中，这些测试表明他们的方法可以清楚地检测压力和温度的变化。立方体保持完整数周，在注射后大约 5 周开始降解，并在 13 周后完成降解。这些动物没有表现出明显的副作用。

这种策略使用注射器进行注射，并且由于智能水凝胶被设计为在体内生物降解，因此其技术不需要手术。作者的仔细研究证明了这种方法在监测pH值、温度和压力方面的有效性。然而，通过改变智能水凝胶的化学成分，有可能使用该技术连续监测其他生物标志物（如葡萄糖），并探测大脑以外的身体部位。通过利用Tang及其同事方法的力量和安全性，糖尿病和其他疾病的治疗方法可能会发生转变。