當(dāng)患者接受小腸切除手術(shù)后，醫(yī)生最擔(dān)憂(yōu)的便是腸道動(dòng)力障礙等并發(fā)癥。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段如CT、MRI雖成像清晰，但成本高昂且無(wú)法頻繁使用；而普通超聲又因腸道組織反射微弱難以捕捉有效信號(hào)。如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)期的術(shù)后監(jiān)測(cè)？華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院臧劍鋒、唐瀚川團(tuán)隊(duì)的最新突破給出了答案。

研究成果以“Biodegradable ultrasound contrast tape for tracing intestinal motility"為題發(fā)表在《Nature Communications》上，成功研制可生物降解超聲造影膠帶（BioUCT），第一作者為華中科技大學(xué)博士畢業(yè)生田野、楊月瑩、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院博士后王佳鑫，通訊作者為臧劍鋒教授、唐瀚川副教授。

這款柔軟僅1毫米厚的 “智能膠帶"采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。它能像創(chuàng)可貼一樣牢固貼合在腸道表面，通過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)的周期性微氣囊結(jié)構(gòu)，將超聲波反射率提升至90%以上，使腸道在超聲圖像中亮度顯著提高40dB（相當(dāng)于回波信號(hào)幅度提升約1萬(wàn)倍）。

圖1. 用于超聲對(duì)比成像的BioUCT設(shè)計(jì)。

技術(shù)突破

①革命性成像性能：從“看不見(jiàn)"到“高清追蹤"

• 強(qiáng)聲學(xué)反射（圖2a-b）

通過(guò)周期性微氣囊設(shè)計(jì)，BioUCT在體外測(cè)試的2MHz超聲下實(shí)現(xiàn)57dB頻譜信號(hào)增幅（較普通水凝膠），在實(shí)際動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中將B超圖像亮度提升30dB，使腸道輪廓清晰顯現(xiàn)（圖2b）。時(shí)/頻域分析顯示其回聲強(qiáng)度遠(yuǎn)超軟組織（圖2a），解決了腸道超聲的信噪比受腸道“弱反射"限制的核心痛點(diǎn)。

• 抗形變穩(wěn)定性（圖2f-g）

在50%拉伸及90°彎曲狀態(tài)下（模擬腸道蠕動(dòng)），B超/M超成像亮度波動(dòng)<5%（圖2f），相位監(jiān)測(cè)波形穩(wěn)定（圖2g），確保動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可靠性。

• 大角度成像能力（圖2c-e）

探頭在深度（5-25cm）、角度（±30°）、水平位移（±20mm）變化時(shí)，圖像亮度標(biāo)準(zhǔn)差<1.5dB（*n*=3），適配臨床操作誤差。

圖2. BioUCT的超聲對(duì)比成像性能。

② 智能生物適配：像“第二層生物表皮"一樣工作

• 強(qiáng)力粘附與抗脫落（圖3a-b）

離體豬腸實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BioUCT與腸壁界面韌性達(dá)200 J/m2（相當(dāng)于外科縫合強(qiáng)度），48小時(shí)內(nèi)粘附穩(wěn)定性>95%（圖3b）。拉力測(cè)試中可承受10N以上牽拉（圖3a），遠(yuǎn)超腸道蠕動(dòng)產(chǎn)生的生理應(yīng)力（通常<2N）。

• 精準(zhǔn)降解調(diào)控（圖3e-g）

通過(guò)調(diào)節(jié)PVA/CMC水凝膠結(jié)晶度，實(shí)現(xiàn)10%-90%的可控降解速率（120天內(nèi)），且降解過(guò)程中楊氏模量保持15-35kPa（圖3g），始終匹配軟組織力學(xué)特性，避免器官損傷。

圖3. BioUCT的離體展示。

③ 離體驗(yàn)證臨床價(jià)值：動(dòng)態(tài)追蹤不再是難題

• 顯著提升診斷靈敏度（圖3c-d）

貼附BioUCT的離體豬腸在B超圖像中亮度提升33dB（圖3c），相當(dāng)于將傳統(tǒng)超聲的“模糊陰影"變?yōu)椤案咔逵跋?。M超動(dòng)態(tài)成像成功捕捉模擬腸蠕動(dòng)軌跡（圖3d），為量化腸道運(yùn)動(dòng)提供新工具。

• 跨器官普適性（補(bǔ)充圖18）

在豬心、胃等器官同樣實(shí)現(xiàn)>30dB亮度提升，證實(shí)技術(shù)可擴(kuò)展性。

圖4. BioUCT的生物相容性。

應(yīng)用場(chǎng)景

在對(duì)豬腸道蠕動(dòng)幅度監(jiān)測(cè)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，操作人員通過(guò)臨床通用的超聲成像設(shè)備成功追蹤到服藥前后腸蠕動(dòng)幅度的變化（3.13mm→7.59mm）。該技術(shù)未來(lái)可結(jié)合可穿戴超聲設(shè)備，實(shí)現(xiàn)患者居家監(jiān)測(cè)，特別適用于：

• 小腸切除術(shù)后并發(fā)癥預(yù)警慢性腸梗阻患者長(zhǎng)期管理胃腸動(dòng)力藥效評(píng)估

圖5. 通過(guò)BioUCT進(jìn)行活體動(dòng)物腸道運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

總結(jié)

文章提出的BioUCT解決了植入式器件“軟硬不可兼得"的難題——既要足夠柔軟以貼合器官，又要高效反射超聲波。本文的全水凝膠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩者平衡。該技術(shù)平臺(tái)還可拓展至胃部、膀胱等器官監(jiān)測(cè)，并與智能水凝膠結(jié)合，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)pH值、炎癥因子等指標(biāo)的超聲可視化監(jiān)控。