翻译 | 小虫 陈晓雪
研讨者们想要将人的身体与感应器联合一体，搜集信息，改动医疗的将来。
望着人群，约兰古斯塔夫松（Gran Gustafsson）想到的却是汽车如今的人就像是在流水线上淘汰了好几十年的老款车。而明天，古斯塔夫松说，汽车都装备了顶尖的感应器、计算机和复杂的信息交流零碎。古代交通工具之所以不会忽然呈现灾难性的解体，就是由于这些零碎尚能轻松处理成绩时就收回了正告。
“为什么在我们本人的身体上却看不到这样的现象呢？” 古斯塔夫松思索道。他所在的团队位于瑞典西斯塔，这家名为 Acreo 的电子公司和全球许许多多的团队一样，异样努力于将人的身体和感应器联合起来。假如这一现象可以完成，我们就不会由于检测不到一些安康成绩，最初去了医院就像一辆车在路边抛锚。这些团队描画了这样一个将来：人类的身体也和预警安装衔接起来，就像汽车一样。
古斯塔夫松团队和瑞典林雪平大学（linkping University）的研讨者们曾经开收回了基于皮肤表层的和植入式的两种感应器，以及一集体内的内联网。内联网可以在保证隐私的同时，将身体和不同的设备联络起来。其他一些团队正在研发其他的技术，比方可以感应动脉硬化（心脏病发作迫近的信号）的皮肤贴片，以及可以探测癫痫痉挛并自动释放药剂中转大脑损害部位的安装。
与少数曾经在体内运用的起搏器和其他电子设备不同，新一代的设备在设计上试图做到与身体组织共同运转，而不是互相别离。但是要使它们成为无机的一体并不是件容易的事，特别是对资料迷信家们来说。他们必需将电路急剧地减少，做出柔软的、可拉伸的、不被身体感应到的电子安装，还要想到创新的办法，在身体内做出与外界零碎联合的端口。要想使这些设备夜以继日地监测并医治身体，还同时要求新的供电方式和新的信息传送方式。如此，古斯塔夫松的愿景才有能够完成。
不过，这个项目改善以后医疗卫生情况并降低医疗本钱的潜力，仍然吸引了研讨者和医生们前来承受这个应战，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校资料迷信家约翰罗杰斯（John Rogers）说。“我还没见就任何一个临床学的人说，‘这跟天上掉馅饼一样没下落，二十年当前再来找我吧！’相反，他们都说，‘天哪，那听起来真炫酷。我们如今有三种方式可以应用它，所以我们什么时分开端协作？’”罗杰斯说。
罗杰斯还说，和身体交错在一同的感应器可以说是智能手机和可穿戴设备的自然延伸。“我以为电子设备正在野我们走来，间隔我们越来越近。我以为这让我们很自然地想象到它们最终将会和我们的身体严密地成为一体。”
1 深至皮肤
电线衔接的生命
假如能克制一些望而却步的应战，植入身体的感应器可以在人们的疾病好转之前就给出正告。
左：装置在皮肤上的感应器在装卸上都很容易，并能取得关于呼吸、心率和其他生命体征的高质量信息。但它们必需得非常柔软且易拉伸，才跟得下身体的自然运动。
右：注射进皮肤的感应器可以取得在血液中躲藏着的化学信号。这种安装必需有很长的寿命并且有很好的生物相容性，这样才不会引发免疫零碎的反响。
要逾越可穿戴设备，第一步将会是在皮肤上直接装置无线感应器。这些感应器可以从皮肤上获取一系列的体征信息，包括温度、脉搏和呼吸频率等。“不幸的是，作为生物，我们的身领会弯曲拉伸，还会收缩，”罗杰斯说，这意味着用生硬的硅晶片电子元件来做的传统感应器是一个蹩脚的选择。
所以他的团队开发了一种“表皮电子元件（epidermal electronics）”。这种装满感应器的粘贴式膜片十分灵敏，可以生物降解，运用者简直觉得不到它的存在，像贴着一次性纹身一样。
这些膜片运用普通的硅电子组件，运用一个橡皮印章就可以印成柔软的薄薄一层 。这些补丁膜片从左近的磁场或许无线电波中取得电源，并运用可以拉伸、扭动或弯曲的“S”状电线与天线。“它们采用了波浪式的几何形状，所以当你拉伸的时分，这个波浪外形电线就会像手风琴风箱一样变化。”罗杰斯引见说。
罗杰斯同时是一家叫MC10的子公司的共同开创人。这个公司位于麻省列克星敦，将在明年推行BioStamps的新设备。BioStamps 是一种暂时性的贴片，可以测量心电活动、水合活动、身体温度和对紫外线的暴露水平。这一贴片首先会呈现在消费市场，罗杰斯说，但他最终的目的医疗零碎。
#p#分页标题#e#这种贴片正在厄巴纳的卡尔基金会医院停止临床实验，用来对重生儿重症监护病房里重生儿的生命体征停止监测，这就摆脱让人不胜其烦的电线和扫描器，估计后果很快就会出来。MC10 也在和布鲁塞尔的一家制药公司 UCB 协作，测试另一种贴片。这种贴片可以监测帕金森综合症患者的震颤状况，并跟踪他们的病情与服药状况。
罗杰斯做的贴片绝对较小，但在东京大学，工程师染谷隆夫（Takao Someya ）也曾经研制出一种承载感应元件的电子皮肤，还可以做成更大的尺寸 。他最近做出的的膜片只要1微米厚，轻到可以像羽毛一样漂浮，却又十分强韧，可以沉着应对身体拉伸和膝部与肘部运动所发生的皱褶。它能提供温度（伤口部位的温度可表示着感染的能够性）、湿度、脉搏与血液氧浓度的数据。
染谷隆夫能做到这点是由于他直接扔掉了硅电子的那一套，而运用非常柔软的无机碳基聚合物和其他资料。这些无机电路能直接被打印在一张塑料胶片上，这让少量消费变得廉价又复杂。不只如此，它在低温和湿润的环境下也能正常任务。
这种皮肤形式也激起了斯坦福大学工程师鲍哲楠的灵感。她的团队制造出一种十分薄的压力传感器，用两张电子胶片将微米级的橡胶金字塔像三明治一样夹住 。即便是一丝轻触也会挤压这些金字塔的顶端，带来两张胶片之间电流的改动。
这些传感器可以用于监测经过动脉的压力波的速率。这样就能暴显露血管硬度能否添加，预测能够的心脏病突发。去年，美国食品和药物管理局同意了一个能内置于高危心脏病患者心脏内的无线压力感应安装。要晓得，鲍式安装在皮肤外表就能完成相似的任务。
植入心脏、大脑或许其他更深处组织的安装会直接从源头获取信息，并在需求的状况下保送药物或触发安慰。但它们需求在不借助电线的状况下想方法取得电力并输入信息。
虽然装置在皮肤外表的贴片十分有用，但只要更深化身体内才干取得更多的信息。“在医院抽血是有缘由的”，麻省理工学院的化学工程师迈克尔斯特拉诺（Michael Strano）如是说,“血液里有许多标志物可以很好地预测疾病。”
但是探究得越深，新的应战也会越多。斯特拉诺觉得，理想的话，表皮下的感应零碎不只要无毒，还要能在需求的状况下，在身体里波动任务很多年，而且还得有生物相容性即感应零碎不能激起身体免疫零碎的反响。可是目前的安装都或多或少地有缺陷。比方说，在血液里经常被用作探测化学信号，即生物标志物，通常运用降解速度很快的生物资料。
这对一个初级的实时感应器来说，是一个很严重的限制，比方用于监测糖尿病患者体内葡萄糖的安装，斯特拉诺说，采用的酶反响探测办法会发生过氧化氢，而过氧化氢可以疾速地降解感应器，以致于人们每隔几周都得改换一个感应器。
为处理这个成绩，斯特拉诺的实验室里研收回一种复合长效探测资料，用它和水性凝胶混合在一同，就能像纹身一样被注射到皮肤上面。纹身的“墨水”由涂有悬空聚合物链的纳米管组成，这种拥有锁匙化学构造的聚合物链可以决议哪些分子可以在下面停靠 。当生物标志物与聚合物链接的时分，它们会巧妙地改动纳米管的光学特性：在纹身上发光，以显示生物标志物的存在。
斯特拉诺和他的团队曾经有开发用于检测血液中一氧化氮的碳纳米管感应器 。这种炎症标志物能够标明感染，甚至癌症的存在。他们如今正在跟葡萄糖和皮质醇打交道皮质醇这种应激标志物对监测创伤后应激妨碍和焦虑妨碍非常有用。一氧化氮感应器能在大鼠体内任务 400 天。
据斯特拉诺说，这是他晓得的目前任务最长，同时不激起免疫零碎的植入性感应器。不过许多其他类型的安装还没有定论。“很多电子资料，特别是塑料的和无机的，它们对身体的久远影响依然是未知的。”鲍哲楠说。
如今斯特拉诺正在和麻省理工学院的工程师丹尼尔安德森（Daniel Anderson）共同研发可以将感应器和保送药物零碎结合起来的设备。他们希望改造麻省理工学院同事罗伯特兰格（Robert Langer）率先研制的微芯片，对一系列的触激做出反响，并释放由复合胶囊包裹的相应药物。第一个“芯片药房（pharmacy on a chip）”的人体实验是在2012年，在八个骨质疏松的女士身上完成，但那时没有运用感应器。
#p#分页标题#e#要让这些设备精确地检测病症并自动做出回应，能够还需求很长的一段工夫，不过糖尿病这个已被普遍研讨的成绩能够除外。斯特拉诺说，他的安装和特定目的分子结合时的确表现优秀，可是生物标志所收回信号的动摇在安康方面终究意味着什么，仍然是个大成绩。他的团队正试图模仿体内生物标志物，以协助决议感应器的适宜地位以及反响速率，而失掉有用的信息。
“通常你需求依托许多不同的感应参数做出决议。某一种化学反响的突出表现并缺乏以帮我们做出合理的判别”，林雪平大学电子工程师、古斯塔夫松的协作者马格努斯伯格伦（Magnus Berggren）这么说。
2 更深化身体
一些研讨者的目的依然是更深化身体，对他们来说，灵敏性和生物相容性变得更为重要。假如一个感应器和心脏或大脑等活动器官发生摩擦，身体就会迅速构成一道疤痕组织墙包围这些器官。而且，假如感应器随器官发生绝对运动，其后果无论如何也不会牢靠。
法国圣艾蒂安初等矿业学院（ Ecole Nationale Superieure des Mines de Saint-Etienne ）的生物电子工程师 George Malliaras 正和同事们研制更为柔软灵敏的感应器，以替代以后绝对生硬的感应器，并在体内跟踪癫痫患者或帕金森综合症患者的脑电图像。
这种由无机传导性复合资料制成的柔性电子元件可以对收回电子信号的离子流做出反响。他表示，这不只进步了灵敏度，而且可以让研讨人员“以一种完全不同的的方式研讨生物学”。
这个小组最新的研讨效果曾经经过大鼠实验，并在两名癫痫患者的内科手术中停止了临床实验。Malliaras 说，实验证明，他们的设备可以探测到集体神经元放电。假如这一进程可以被逆转，那么感应器将可以使用于保送药物。这种被称为无机电子离子泵的安装可以经过强迫给药，对施加的电压做出反响，并促使药物也就是很小的带电粒子分开储电仓。
Malliaras 的团队正在与林雪平大学以及法国国度卫生与医学研讨院（French National Institute of Health and Medical Research）协作，试图将他的癫痫感应器与一个可以对癫痫发作发生感应的离子泵衔接在一同，把医治癫痫的药物释放到正确的脑区。伯格伦和林雪平大学团队曾经应用相似的技术研收回一种“疼痛起搏器”，可以直接把镇痛剂传输到脊椎神经。
3 解除电能限制
任何电子设备都会由于电源成绩而遭到限制。处在皮肤上或皮肤左近的设备可以经过天线停止无线充电，只需四周有电源。但处在身体深部的设备经常就只能依托电池了，而电池通常又是一大坨，还得不时改换。而有一些设备，例如伯格伦的止痛泵，线路经常需求穿过几层组织，整个进程不只相当费心，而且还带来感染的能够性。
为理解决此类成绩，亚特兰大佐治亚理工学院的纳米迷信家王中林在过来十年曾试图想方法搜集人在走路，甚至在呼吸时发生的微量机械能。“我们开端考虑，如何将身体的动能转化成电能呢？”他说。
经过长长的思索，王中林最新的设计应用静电将我们呼吸的动能转化成电能，以驱动起搏器。这个发电机运用了两个不同的复合面，而这两个面又被夹在电极之间并与电路相连。
当运用者呼吸的时分，两个复合面不时接触别离，交流电子就像用羊毛布摩擦气球所发生的效果一样。这样，积聚的电荷发明了线路里的电流。“呼气吸气，往前往后，蹲下站起，你都在发电”，王中林说。
从 2014 年开端，王中林开端在大鼠身上测试该零碎，并经过这个几张纸厚的设备失掉了毫瓦的电力。如今他的团队正在猪身上测试该技术。
罗杰斯的团队曾经制造出了可生物降解的电池。这种电池由用镁和其它金属做成的电极构成，不只在低浓度的环境下很平安，而且会在身体里迟缓降解。“有些设备你能够会想在病人身上用一辈子，但有的你只希望它暂时在那里”，罗杰斯说。
4 要挟团体隐私
这些技术能够是反动性的，可是经过体内的电子线路向外界计算机或许医疗中心传输信息也面临着要挟，这一要挟曾经在可穿戴产业呈现黑客。“当一个半导体芯片被植入身体之内，黑客的确是一个严重的成绩”，染谷隆夫说。
#p#分页标题#e#一个处理方法就是让设备本人解析数据，增加向外保送无线电波。另一个方法是完全防止向外保送无线电波。在一个尚未发布的研讨中，瑞典团队曾经研收回了一种体内内联网，应用身体里的水作为电线，以低频率的形态传输信号。
要想让设备与设备之间或许设备和智能手机之间传递信息，运用者的手必需要与这些东西停止肢体接触。这样可以使这些信号坚持低功率和隐私化，并防止过多的信息交流阻塞原本就被手机与无线路由器弄得一团糟的信息传输频率。
“信息只会在你的身体内传输和显示”，伯格伦说。他还补充说，该零碎曾经经过身体交流电子标签物体之间的数据，并传输到智能手机，而且将很快集成到皮肤上的感应器。
但是，无论这些设备多么棒，新资料的开辟者们还要在各种医疗监管的言论里挣扎，Malliaras 说。药剂供给商也简单来说，创业有四步：一创意、二技术、三产品、四市场。对于停留在‘创意’阶段的团队，你们的难点不在于找钱，而在于找人。”结合自身微软背景及创业经验。担忧，这些设备万一出了成绩，他们将被卷入各种诉讼，“这使得采用新资料的进程迟迟无法向前”。
伯格伦与 Acreo 的协作者率先尝试将人类与各种电子设备衔接在一同。但他们怅然供认，愿景要变为理想，需求多个企业和研讨团队的协作，同时还需求保险公司与医疗供给方的参与。
伯格伦明白，如今还有很多障碍。“难就难在如何把各个环节交融在一同”，他说。“但是，他们在汽车行业里曾经做的很成功。你很少在路边看到成队的车辆等候修缮。异样的事能不能在人身上成功还是个问号，但它相对值得一试。”
Malliaras 赞同他的看法，“一辆车你用个十年就差不多了，可身体你能够会想要用个八九十年。身体可要精贵得多。”■
参考文献：
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Kaltenbrunner, M. et al. Nature 499, 458463 (2013).
Schwartz, G. et al. Nature Commun. 4, 1859 (2012).
Zhang, J. et al. Nature Nanotechnol. 8, 959968 (2013).
Iverson, N. M. et al. Nature Nanotechnol. 8, 873880 (2013)
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