一场被科研人员趋之若鹜的医疗科技更迭之争，却极有可能助力一轮医疗服务模式、医疗产业格局的变革。

　　几十年前，约兰·古斯塔夫松每日看着人来人往，心中不时思忖的却是汽车——如何下线生产线的老化模型。今天，古斯塔夫松告知世人，汽车是由最前沿尖端的传感器、计算机以及能够预警故障的先进复杂的通讯系统便捷组配而成，这正是现代交通工具罕见带给驾驶者灾难性事故的个中要因。

　　“我们为什么不能触类旁通地如此审视人类的机体？”身为瑞典电子公司Acreo工程师的古斯塔夫松不禁自省，如今他的团队已成为全球将这一理念付诸实践的诸多先行者之一。不再上演直至患者住院才使健康问题浮出水面的悲剧，它们无异于汽车抛锚，而是在不久的将来，医疗团队借助类似汽车传感器的连线设备早期、及时防范各型各类健康隐患。

　　与瑞典林雪平大学的研究者一道，古斯塔夫松带领团队研发出皮肤表层及植入式传感器，如同一个可接载外部设备又可确保个人安全的体内网络系统。从藉探测动脉硬化程度反映心脏病发作预判的皮肤贴膜，到癫痫发作检测设备以及直达脑部病灶区的自动给药装置，其他研究小组的技术也紧锣密鼓。

　　组织功能订制是这类新型装备的设计内核，而非同目前常用的起搏器及其他电子设备那般孤立行事。整合绝非易事，尤其对于材料科学家，他们既要大幅瘦身电路，还要确保电子器件柔韧灵活、拉伸自如且不能对组织产生明显刺激，这就必须以创新方式建起机体接口。为达成愿望——研发全天候不间断监测与治疗设备，新电源、新信息传递路径成为当务之急。

　　直至目前，在提升医疗服务品质的前提下削减医疗费用仍是科研人员、临床医生无可回避的现实挑战，美国伊利诺伊大学材料科学家约翰·罗杰斯如是认定。“我没有听到哪位临床人士抱怨‘那是异想天开，20年以后再说吧，’他们总是说‘这太酷啦。我们该如何开始合作？’”

　　在罗杰斯看来，植入式传感器无疑是手持智能手机、可穿戴设备的一种自然延伸。“电子产品正朝你走来，将越来越近。”他坦承，“最终将与人类身体完美整合，一切都是那么顺理成章。”

　　由表及里

　　要超越可穿戴设备，首先必须研制出直接贴服于皮肤的无线传感器，获知体温、脉搏、呼吸频率等一系列生命体征数据。令罗杰斯倍感遗憾的是，“弯曲、拉伸、肿胀是组织的基本生物学行为，而硬硅晶片材质的传统电子器件根本无法满足功能需求。”

　　不久，他的团队发明出“表皮电子”（epidermal electronics），这款灵便可弯曲、可生物降解的黏性贴膜密布传感器，用户却丝毫感觉不到它们的存在。酷似临时纹身，贴膜选用正常硅电子，经过减薄工艺，通过橡皮图章转接至灵活的支持装置。借助临近磁场，或由S型线和天线捕捉无线电波，可为贴膜供电。得益于几何学波浪图形原理，躯体伸展时波形可实时变化，如同手风琴式波纹管。

　　罗杰斯与合伙人创立了一家衍生公司——MC10，位于马塞诸塞州列克星敦市——2016年将正式启动生物印章（BioStamps）的市场营销。这款临时贴膜轻薄如一张粘纸，可实时监测心脏电活动、水合反应、体温和紫外线暴露量。他透露，虽然初期面向普通消费者，医用才是研发初衷。在美国卡尔慈善医院的新生儿重症监护室，满眼侵入性导线和监测仪的景象不复存在，医生换用生物印章无创观测新生儿生命体征，循证数据即将出炉。除此，MC10还与总部设于布鲁塞尔的制药公司UCB协作开展临床试验，监控帕金森病患者的震颤发作，进而实时追踪病情进展、及时判定药物干预时机。

　　罗杰斯研发的皮肤贴膜趋向小型化，日本东京大学的工程师染矢高雄着手制出的传感器负载电子皮肤也仅1微米纤薄，虽轻如鸿毛般漂浮，却足以稳健契合肘关节或膝关节日常必须的拉伸与扭曲运动。它可轻松读取体温——伤口部位升温往往提示感染可能——湿度、脉搏、血氧浓度。他的技术路线是，在硅电子表面建造电路后将有机电路附印于塑料薄膜，凸显成本优势、易于批量投产，而且耐高温、适应水性环境。

　　美国斯坦福大学有机电子技术专家鲍哲南同样在皮肤传感器研发领域颇具建树。由她团队创建的“薄压力传感器”的本质是将微米级橡胶金字塔加载于两层薄膜间，即便轻微触压金字塔顶端，薄膜间的电流量也会产生变化。应用于心脏可以追踪动脉压力波速度，推测血管僵硬度进展，得出心脏病发作风险。2014年，美国食品药品监督管理局获准该款无线压力传感器产品用于晚期心脏病患者。鲍哲南领衔研发的传感器设备可经由皮肤表面殊途同归。

　　有学者提出，植入机体越深可能意味着获取的信息越多。“这也就解释了，为何医务人员更愿意选择血液检查，”美国麻省理工学院化学工程师迈克尔·斯特拉诺总结指出，“因为血液标志物的疾病预测价值得天独厚。”

　　理想状况下，皮下传感器不仅无毒，必要时可常年在体内稳定执行既定功能，而且具备生物兼容性——这意味着不会触发机体的免疫反应。现实则是，绝大多数现行装置无法兼而有之。例如，靶向血液中被称为生物标志物的化学信号传感器通常由生物材料制成，后者在体内被迅速降解。这无疑成为当前监测糖尿病患者血糖水平的新型实时传感器的重要技术壁垒，据斯特拉诺介绍：它主要经过测定酶反应产生的过氧化氢浓度反映血糖波动状态。由于这一化学过程同时触发传感器的生物降解过程，终致使用寿命仅短短数周。

　　如今，斯特拉诺所在的实验室已开发出人工合成、长使用周期的监测装置材料，它们可混合入水基凝胶，被如纹身般刺入皮下。所用的“墨汁”由涂有悬挂聚合物链的碳纳米管组成，具有锁钥式化学结构，能够识别生物标志物。一旦生物标志物与聚合物结合，它们即可巧妙改变纳米管的光学性质：相应纹路光亮度增加提示存在生物标志物。

　　继而，斯特拉诺及其团队还将碳纳米管传感器延展至监测血液一氧化氮浓度——这是提示炎症状态，甚至癌症风险的一种炎症标志物——以及血糖和皮质醇水平，后两者被证实是监测创伤后应激障碍、焦虑状态的应激生物标志物。小鼠实验显示一氧化氮传感器可连轴运行400天，截至目前，这是据斯特拉诺所知工作时程最长且毫无机体免疫反应隐患的植入式化学传感器。对于很多其他类型的设备，结论还有待分晓，“电子材料，特别是塑料材质和有机物来源的，长期影响尚不得而知”。鲍哲南表示。

　　如今，斯特拉诺正与美国麻省理工学院工程师丹尼尔·安德森一道钻研新的设备技术——附加给药系统的复合型传感器设备。受学院工程师罗伯特·兰格通过一系列触发机制诱导聚合物胶囊适时释放药物成果的启发，他们决定率先攻关微晶片技术。2012年，尚无传感器部件的“芯片药房”启动首项人体试验，对象是8位女性骨质疏松患者。

　　此前很长一段时期内，人们对此类装置的最大期冀是能够准确发现并自动治疗疾病。特异性结合目标分子成为斯特拉诺研制设备一大优势，然而仍旧未能解除有关生物标志物信号波动可否确切提示健康状况的固有质疑。目前，他的团队转而致力于人类生物标志物模拟试验，回答传感器的最佳定位以及能以何种效率快速提供有价值信息两大现实问题。正与格斯塔夫协作研发的瑞典林雪平大学电子工程师玛格努斯·伯格恩提醒同道，“通常情况下，你必须依靠林林总总的感知参数作出决策。单一化学信号高表达往往难以一锤定音。”

　　目标导向

　　当前，仍有不少研究者寄希望于再进一步深入机体内部，为达成目的，灵活性、生物兼容性的重要性尤其凸显。一旦僵硬的传感器与心脏、脑等运动性器官组织发生摩擦，犹如动物呼吸时引发的细胞移位，传感器将迅速被机体的瘢痕组织包绕其中。无论何种情况下，只要传感器相对于器官组织产生移动，所得结果的可靠性可能荡然无存。

　　作为灵活传感器研发大军中的佼佼者，法国圣埃蒂安国立高等矿业学校生物电子学工程师乔治及其团队将目标锁定于取代现行追踪癫痫病或帕金森病患者脑内独特电传导模式的较硬材质传感器。由有机物、导电聚合体制备而成的柔性电子器件可捕获到化学信号——那些可以引发电学改变的离子流。如此，在敏感性提升同时，研究者能“以与既往截然不同的方式揭秘生物学世界”。

　　经小鼠实验和两位手术患者观察证实，乔治团队最新研发的传感器装置可准确检测到单个神经元放电。这个所谓“组织电离子泵”对药物——小电荷颗粒——诱导的外加电压可引发水库开闸效应。借助瑞典林雪平大学以及法国国家卫生与医学研究所合作者的协同指导，乔治团队的癫痫病传感器成功实现与离子泵整合一体，通过执行脑部靶点给药功有效控制癫痫发作。伯格恩及林雪平大学团队也依赖相同技术制成“镇痛起搏器”（pacemaker for pain），达成直接髓内给药夙愿。

　　任何一种电子装置都难免被“电源”束手束脚。只要附近设有电源装置，皮肤表层或皮下装置完全可以通过一体化天线借无线方式获取充足电能。相比，植入体内的传感器必须标配电池，它们往往又大又重，存定期更换不便。以伯格恩的镇痛泵为例，传感器导线不得不穿出上覆组织，累赘繁琐、潜在感染风险无一避免。

　　面对困境，不少人选择迎难而上，也有人愿意绕道前行。美国佐治亚理工学院纳米科学家王中林多年从事于利用人类在行走甚至呼吸过程中的微弱机械产能。“我们不懈思忖，如何能将机体的运动转换为电能？”他的最新设计落脚于人们避之若浼的静电，将人体呼吸这类日常生理运动转化为足以维持起搏器运行的工作能量。发电机采用两种不同的聚合物表面，以三明治模式穿插于电极间，再与电路连接。在使用者呼吸过程中，两层多聚物表面时而接触时而远离，顺势完成电子交换。电荷积聚必然使电流贯通导线，“吸气、呼气，前进、后退，上抬、下压，这一系列运动即可诱导合成能量。”

　　2014年开始，王中林尝试在小鼠身上检测该系统时，通过仅有几张纸厚度的设备成功收集到毫瓦级能量。现今，他的团队力图在猪身上再建新功。

　　罗杰斯的团队也已利用镁合金电极创建出生物降解电池，“有些装置，你可能希望他们能终身使用。而另有一些，短期临时应用即可满足需求。”

　　隐私保护

　　技术可能堪属革命性的，将机体的传感器数据输送给外部计算机或医学中心却使可穿戴设备行业痛迎一大威胁：黑客。染矢高雄警醒到：“一旦半导体芯片被植入人体，黑客将衍生为真实世界中的巨大灾难。”

　　一个解决方案是自力更生，即经传感器自身分析原始数据，以减少空中电波传送量。另一个可行措施则是釜底抽薪，这意味着需要彻底规避电波。据尚未正式发表研究透露出的讯息，瑞典研究者已经构建起机体内联网，它以体内水份作为导线可成功实现低频信号传输。为了兑现设备与设备，或设备与智能手机之间的信息递送，使用者必须借助双手触及目标对象。此种方式不仅可以确保信号的低功率属性与个人隐私，还能够有效回避移动电话、无线路由器饱受诟病的数据传输拥堵现象。“数据传输和隐私曝光只是发生在你的体内，”伯格恩认定，从机体到智能手机的电子标记对象之间的数据交换在该系统面前不再是难事，集成皮肤传感器问世也将为时不远。

　　有人预判，新材料研发的先行者将会引发一场反对医疗监管的浪潮。伴随着化工供应商对故障设备可能引发诉讼风险的担忧，乔治建议，“对新型材料应用亟需勒紧缰绳”。

　　虽然被称为将一系列设备与人类有线连接领域的创始者，但伯格恩与Acreo的合作者欣然承认，使愿景变为现实需要多家公司、多个研究团队全力付出，更需要保险公司、医疗保健提供者倾情参与。

　　在伯格恩心目中，探索路上的最大障碍在于“化零为整”。汽车行业带给他莫大的振动：“人们极少在路边见到等候维修救援的故障车辆。我们能否做到还是个问号，但这绝对值得一试。”乔治深有同感，“一辆汽车的使用期限通常不短于十年，而人类的生存时间长达八九十年之久，它的珍贵性毋庸置疑。”

　　“有线”生活：皮肤表层或植入式传感器可以在患病或病情恶化前预警健康问题，但还需克服诸多艰巨挑战。

　　安置于皮肤表层的传感器易于使用或移除，它们能提供诸如呼吸、心率、血压及其他生命体征的高质量数据。然而，它们必须足够柔韧灵活与屈伸自如，以便贴合于机体的日常运动。

　　通过靶向血液生物标志物化学信号，植入皮下的传感器如同一把开启信息宝库的钥匙。唯有具备使用周期长、生物兼容性特质的皮下传感器，才能有效规避机体的免疫反应触发。

　　Epidermis 表皮

　　Dermis 真皮

　　Subcutaneous tissue 皮下组织

　　Carbon-nanotube-based sensors 碳纳米管传感器

　　心脏、脑或其他深部组织的植入式装置可以从源头直接搜集数据，抑或执行特定部位给药、刺激等任务。使用前提是，它们必须内置电源并实现无线数据传输。

　　Flexible brainsensor 柔性脑传感器

　　Flexible heartpacemaker 柔性心脏起搏器

　　Spine-implantedion pump 脊柱注入泵