翻譯 | 小蟲
校譯 | 陳曉雪
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研究者們想要將人的身體與感應器聯結一體，收集信息，改變醫療的未來。
望著人群，約蘭·古斯塔夫松（G?ran Gustafsson）想到的卻是汽車——現在的人就像是在流水線上淘汰了好幾十年的老款車。而今天，古斯塔夫松說，汽車都配備了頂尖的感應器、計算機和復雜的信息交流系統。現代交通工具之所以不會突然出現災難性的崩潰，就是因為這些系統尚能輕松解決問題時就發出了警告。
“為什么在我們自己的身體上卻看不到這樣的景象呢？” 古斯塔夫松思索道。他所在的團隊位于瑞典西斯塔，這家名為 Acreo 的電子公司和全球許許多多的團隊一樣，同樣致力于將人的身體和感應器聯結起來。如果這一景象能夠實現，我們就不會因為檢測不到一些健康問題，最后去了醫院——就像一輛車在路邊拋錨。這些團隊描繪了這樣一個未來：人類的身體也和預警裝置連接起來，就像汽車一樣。
古斯塔夫松團隊和瑞典林雪平大學（Link?ping University）的研究者們已經開發出了基于皮膚表層的和植入式的兩種感應器，以及一個體內的內聯網。內聯網能夠在保證隱私的同時，將身體和不同的設備聯系起來。其他一些團隊正在研發其他的技術，比如能夠感應動脈硬化（心臟病發作逼近的信號）的皮膚貼片，以及可以探測癲癇痙攣并自動釋放藥劑直達大腦損害部位的裝置。
與多數已經在體內使用的起搏器和其他電子設備不同，新一代的設備在設計上試圖做到與身體組織共同運行，而不是相互分離。但是要使它們成為有機的一體并不是件容易的事，特別是對材料科學家們來說。他們必須將電路急劇地縮小，做出柔軟的、可拉伸的、不被身體感應到的電子裝置，還要想到創新的方法，在身體內做出與外界系統聯結的端口。要想使這些設備夜以繼日地監測并治療身體，還同時要求新的供電方式和新的信息傳送方式。如此，古斯塔夫松的愿景才有可能實現。
不過，這個項目改善當前醫療衛生狀況并降低醫療成本的潛力，依然吸引了研究者和醫生們前來接受這個挑戰，伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校材料科學家約翰·羅杰斯（John Rogers）說。“我還沒見到任何一個臨床學的人說，‘這跟天上掉餡餅一樣沒著落，二十年以后再來找我吧！’相反，他們都說，‘天哪，那聽起來真炫酷。我們現在有三種方式可以利用它，所以我們什么時候開始合作？’”羅杰斯說。
羅杰斯還說，和身體交織在一起的感應器可以說是智能手機和可穿戴設備的自然延伸。“我認為電子設備正在朝我們走來，距離我們越來越近。我認為這讓我們很自然地想象到它們最終將會和我們的身體緊密地成為一體。”
1 深至皮膚
電線連接的生命
左：安裝在皮膚上的感應器在裝卸上都很容易，并能獲得關于呼吸、心率和其他生命體征的高質量信息。但它們必須得十分柔軟且易拉伸，才跟得上身體的自然運動。
右：注射進皮膚的感應器能夠獲得在血液中藏匿著的化學信號。這種裝置必須有很長的壽命并且有很好的生物相容性，這樣才不會引發免疫系統的反應。
要超越可穿戴設備，第一步將會是在皮膚上直接安裝無線感應器。這些感應器可以從皮膚上獲取一系列的體征信息，包括溫度、脈搏和呼吸頻率等。“不幸的是，作為生物，我們的身體會彎曲拉伸，還會膨脹，”羅杰斯說，這意味著用僵硬的硅晶片電子元件來做的傳統感應器是一個糟糕的選擇。
所以他的團隊開發了一種“表皮電子元件（epidermal electronics）”。這種裝滿感應器的粘貼式膜片非常靈活，可以生物降解，使用者幾乎感覺不到它的存在，像貼著一次性紋身一樣。
這些膜片使用普通的硅電子組件，使用一個橡皮印章就可以印成柔軟的薄薄一層 。這些補丁膜片從附近的磁場或者無線電波中獲得電源，并使用可以拉伸、扭動或彎曲的“S”狀電線與天線。“它們采用了波浪式的幾何形態，所以當你拉伸的時候，這個波浪形狀電線就會像手風琴風箱一樣變化。”羅杰斯介紹說。
羅杰斯同時是一家叫MC10的子公司的共同創始人。這個公司位于麻省列克星敦，將在明年推廣BioStamps的新設備。BioStamps 是一種臨時性的貼片，可以測量心電活動、水合活動、身體溫度和對紫外線的暴露程度。這一貼片首先會出現在消費市場，羅杰斯說，但他最終的目標醫療系統。
這種貼片正在厄巴納的卡爾基金會醫院進行臨床試驗，用來對新生兒重癥監護病房里新生兒的生命體征進行監測，這就擺脫讓人不勝其煩的電線和掃描器，預計結果很快就會出來。MC10 也在和布魯塞爾的一家制藥公司 UCB 合作，測試另一種貼片。這種貼片能夠監測帕金森綜合癥患者的震顫情況，并跟蹤他們的病情與服藥情況。
羅杰斯做的貼片相對較小，但在東京大學，工程師染谷隆夫（Takao Someya ）也已經研制出一種承載感應元件的電子皮膚，還可以做成更大的尺寸 。他最近做出的的膜片只有1微米厚，輕到能夠像羽毛一樣漂浮，卻又非常強韌，能夠從容應對身體拉伸和膝部與肘部運動所產生的皺褶。它能提供溫度（傷口部位的溫度可表示著感染的可能性）、濕度、脈搏與血液氧濃度的數據。
染谷隆夫能做到這點是因為他直接扔掉了硅電子的那一套，而使用十分柔軟的有機碳基聚合物和其他材料。這些有機電路能直接被打印在一張塑料膠片上，這讓大量生產變得便宜又簡單。不僅如此，它在高溫和潮濕的環境下也能正常工作。
這種皮膚模式也激發了斯坦福大學工程師鮑哲楠的靈感。她的團隊制作出一種非常薄的壓力傳感器，用兩張電子膠片將微米級的橡膠金字塔像三明治一樣夾住 。即使是一絲輕觸也會擠壓這些金字塔的頂端，帶來兩張膠片之間電流的改變。
這些傳感器能夠用于監測通過動脈的壓力波的速率。這樣就能暴露出血管硬度是否增加，預測可能的心臟病突發。去年，美國食品和藥物管理局批準了一個能內置于高危心臟病患者心臟內的無線壓力感應裝置。要知道，鮑式裝置在皮膚表面就能完成類似的工作。
雖然安裝在皮膚表面的貼片非常有用，但只有更深入身體內才能獲得更多的信息。“在醫院抽血是有原因的”，麻省理工學院的化學工程師邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）如是說,“血液里有許多標記物可以很好地預測疾病。”
但是探索得越深，新的挑戰也會越多。斯特拉諾覺得，理想的話，表皮下的感應系統不僅要無毒，還要能在需要的情況下，在身體里穩定工作很多年，而且還得有生物相容性——即感應系統不能激發身體免疫系統的反應。可是目前的裝置都或多或少地有缺陷。比如說，在血液里常常被用作探測化學信號，即生物標記物，通常使用降解速度很快的生物材料。
這對一個高級的實時感應器來說，是一個很嚴重的限制，比如用于監測糖尿病患者體內葡萄糖的裝置，斯特拉諾說，采用的酶反應探測方法會產生過氧化氫，而過氧化氫能夠快速地降解感應器，以至于人們每隔幾周都得更換一個感應器。
為解決這個問題，斯特拉諾的實驗室里研發出一種復合長效探測材料，用它和水性凝膠混合在一起，就能像紋身一樣被注射到皮膚下面。紋身的“墨水”由涂有懸空聚合物鏈的納米管組成，這種擁有鎖匙化學結構的聚合物鏈能夠決定哪些分子能夠在上面停靠 。當生物標記物與聚合物鏈接的時候，它們會巧妙地改變納米管的光學特性：在紋身上發光，以顯示生物標記物的存在。
斯特拉諾和他的團隊已經有開發用于檢測血液中一氧化氮的碳納米管感應器 。這種炎癥標記物可能表明感染，甚至癌癥的存在。他們現在正在跟葡萄糖和皮質醇打交道——皮質醇這種應激標記物對監測創傷后應激障礙和焦慮障礙十分有用。一氧化氮感應器能在大鼠體內工作 400 天。
據斯特拉諾說，這是他知道的目前工作最長，同時不激發免疫系統的植入性感應器。不過許多其他類型的裝置還沒有定論。“很多電子材料，特別是塑料的和有機的，它們對身體的長遠影響仍然是未知的。”鮑哲楠說。
現在斯特拉諾正在和麻省理工學院的工程師丹尼爾·安德森（Daniel Anderson）共同研發可以將感應器和輸送藥物系統結合起來的設備。他們希望改造麻省理工學院同事羅伯特·蘭格（Robert Langer）率先研制的微芯片，對一系列的觸激做出反應，并釋放由復合膠囊包裹的相應藥物。第一個“芯片藥房（pharmacy on a chip）”的人體試驗是在2012年，在八個骨質疏松的女士身上實現，但那時沒有使用感應器。
要讓這些設備準確地檢測病癥并自動做出回應，可能還需要很長的一段時間，不過糖尿病這個已被廣泛研究的問題可能除外。斯特拉諾說，他的裝置和特定目標分子結合時確實表現優秀，可是生物標記所發出信號的波動在健康方面究竟意味著什么，依然是個大問題。他的團隊正試圖模擬體內生物標記物，以幫助決定感應器的合適位置以及反應速率，而得到有用的信息。
“通常你需要依靠許多不同的感應參數做出決定。某一種化學反應的突出表現并不足以幫我們做出合理的判斷”，林雪平大學電子工程師、古斯塔夫松的合作者馬格努斯·伯格倫（Magnus Berggren）這么說。
2 更深入身體
一些研究者的目標仍然是更深入身體，對他們來說，靈活性和生物相容性變得更為重要。如果一個感應器和心臟或大腦等活動器官產生摩擦，身體就會迅速形成一道疤痕組織墻包圍這些器官。而且，如果感應器隨器官產生相對運動，其結果無論如何也不會可靠。
法國圣艾蒂安高等礦業學院（ E?cole Nationale Supe?rieure des Mines de Saint-E?tienne ）的生物電子工程師 George Malliaras 正和同事們研制更為柔軟靈活的感應器，以替代當前相對僵硬的感應器，并在體內跟蹤癲癇患者或帕金森綜合癥患者的腦電圖像。
這種由有機傳導性復合材料制成的柔性電子元件可以對發出電子信號的離子流做出反應。他表示，這不僅提高了靈敏度，而且可以讓研究人員“以一種完全不同的的方式研究生物學”。
這個小組最新的研究成果已經通過大鼠實驗，并在兩名癲癇患者的外科手術中進行了臨床試驗。Malliaras 說，試驗證明，他們的設備能夠探測到個體神經元放電。如果這一過程能夠被逆轉，那么感應器將可以應用于輸送藥物。這種被稱為有機電子離子泵的裝置可以通過強制給藥，對施加的電壓做出反應，并促使藥物——也就是很小的帶電粒子——離開儲電倉。
Malliaras 的團隊正在與林雪平大學以及法國國家衛生與醫學研究院（French National Institute of Health and Medical Research）合作，試圖將他的癲癇感應器與一個可以對癲癇發作產生感應的離子泵連接在一起，把治療癲癇的藥物釋放到正確的腦區。伯格倫和林雪平大學團隊已經利用類似的技術研發出一種“疼痛起搏器”，可以直接把鎮痛劑傳輸到脊椎神經。
3 解除電能限制
任何電子設備都會因為電源問題而受到限制。處在皮膚上或皮膚附近的設備能夠通過天線進行無線充電，只要周圍有電源。但處在身體深部的設備常常就只能依靠電池了，而電池通常又是一大坨，還得不時更換。而有一些設備，例如伯格倫的止痛泵，線路常常需要穿過幾層組織，整個過程不僅相當費神，而且還帶來感染的可能性。
為了解決此類問題，亞特蘭大佐治亞理工學院的納米科學家王中林在過去十年曾試圖想辦法收集人在走路，甚至在呼吸時產生的微量機械能。“我們開始思考，如何將身體的動能轉化成電能呢？”他說。
經過長長的思索，王中林最新的設計利用靜電將我們呼吸的動能轉化成電能，以驅動起搏器。這個發電機使用了兩個不同的復合面，而這兩個面又被夾在電極之間并與電路相連。
當使用者呼吸的時候，兩個復合面不斷接觸分離，交換電子——就像用羊毛布摩擦氣球所產生的效果一樣。這樣，積聚的電荷創造了線路里的電流。“呼氣吸氣，往前往后，蹲下站起，你都在發電”，王中林說。
從 2014 年開始，王中林開始在大鼠身上測試該系統，并通過這個幾張紙厚的設備得到了毫瓦的電力。現在他的團隊正在豬身上測試該技術。
羅杰斯的團隊已經制作出了可生物降解的電池。這種電池由用鎂和其它金屬做成的電極構成，不僅在低濃度的環境下很安全，而且會在身體里緩慢降解。“有些設備你可能會想在病人身上用一輩子，但有的你只希望它暫時在那里”，羅杰斯說。
4 威脅個人隱私
這些技術可能是革命性的，可是通過體內的電子線路向外界計算機或者醫療中心傳輸信息也面臨著威脅，這一威脅已經在可穿戴產業出現——黑客。“當一個半導體芯片被植入身體之內，黑客確實是一個嚴重的問題”，染谷隆夫說。
一個解決辦法就是讓設備自己解析數據，減少向外輸送無線電波。另一個辦法是完全避免向外輸送無線電波。在一個尚未發布的研究中，瑞典團隊已經研發出了一種體內內聯網，利用身體里的水作為電線，以低頻率的狀態傳輸信號。
要想讓設備與設備之間或者設備和智能手機之間傳遞信息，使用者的手必須要與這些東西進行肢體接觸。這樣可以使這些信號保持低功率和隱私化，并避免過多的信息交換阻塞本來就被手機與無線路由器弄得一團糟的信息傳輸頻率。
“信息只會在你的身體內傳輸和顯示”，伯格倫說。他還補充說，該系統已經通過身體交換電子標簽物體之間的數據，并傳輸到智能手機，而且將很快集成到皮膚上的感應器。
然而，無論這些設備多么棒，新材料的開拓者們還要在各種醫療監管的輿論里掙扎，Malliaras 說。藥劑供應商也擔心，這些設備萬一出了問題，他們將被卷入各種訴訟，“這使得采用新材料的進程遲遲無法向前”。
伯格倫與 Acreo 的合作者率先嘗試將人類與各種電子設備連接在一起。但他們欣然承認，愿景要變為現實，需要多個企業和研究團隊的合作，同時還需要保險公司與醫療供應方的參與。
伯格倫明白，現在還有很多阻礙。“難就難在如何把各個環節融合在一起”，他說。“但是，他們在汽車行業里已經做的很成功。你很少在路邊看到成隊的車輛等待修理。同樣的事能不能在人身上成功還是個問號，但它絕對值得一試。”
Malliaras 同意他的看法，“一輛車你用個十年就差不多了，可身體你可能會想要用個八九十年。身體可要精貴得多。”
原文標題“the body electronic", 刊登于 2015 年 12 月 3 日出版的《Nature》。
參考文獻：
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Kaltenbrunner, M. et al. Nature 499, 458–463 (2013).
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Iverson, N. M. et al. Nature Nanotechnol. 8, 873–880 (2013)
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