一場(chǎng)被科研人員趨之若鶩的醫(yī)療科技更迭之爭(zhēng)，卻極有可能助力一輪醫(yī)療服務(wù)模式、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)格局的變革。

　　幾十年前，約蘭·古斯塔夫松每日看著人來(lái)人往，心中不時(shí)思忖的卻是汽車(chē)——如何下線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的老化模型。今天，古斯塔夫松告知世人，汽車(chē)是由最前沿尖端的傳感器、計(jì)算機(jī)以及能夠預(yù)警故障的先進(jìn)復(fù)雜的通訊系統(tǒng)便捷組配而成，這正是現(xiàn)代交通工具罕見(jiàn)帶給駕駛者災(zāi)難性事故的個(gè)中要因。

　　“我們?yōu)槭裁床荒苡|類(lèi)旁通地如此審視人類(lèi)的機(jī)體？”身為瑞典電子公司Acreo工程師的古斯塔夫松不禁自省，如今他的團(tuán)隊(duì)已成為全球?qū)⑦@一理念付諸實(shí)踐的諸多先行者之一。不再上演直至患者住院才使健康問(wèn)題浮出水面的悲劇，它們無(wú)異于汽車(chē)拋錨，而是在不久的將來(lái)，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)借助類(lèi)似汽車(chē)傳感器的連線(xiàn)設(shè)備早期、及時(shí)防范各型各類(lèi)健康隱患。

　　與瑞典林雪平大學(xué)的研究者一道，古斯塔夫松帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出皮膚表層及植入式傳感器，如同一個(gè)可接載外部設(shè)備又可確保個(gè)人安全的體內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從藉探測(cè)動(dòng)脈硬化程度反映心臟病發(fā)作預(yù)判的皮膚貼膜，到癲癇發(fā)作檢測(cè)設(shè)備以及直達(dá)腦部病灶區(qū)的自動(dòng)給藥裝置，其他研究小組的技術(shù)也緊鑼密鼓。

　　組織功能訂制是這類(lèi)新型裝備的設(shè)計(jì)內(nèi)核，而非同目前常用的起搏器及其他電子設(shè)備那般孤立行事。整合絕非易事，尤其對(duì)于材料科學(xué)家，他們既要大幅瘦身電路，還要確保電子器件柔韌靈活、拉伸自如且不能對(duì)組織產(chǎn)生明顯刺激，這就必須以創(chuàng)新方式建起機(jī)體接口。為達(dá)成愿望——研發(fā)全天候不間斷監(jiān)測(cè)與治療設(shè)備，新電源、新信息傳遞路徑成為當(dāng)務(wù)之急。

　　直至目前，在提升醫(yī)療服務(wù)品質(zhì)的前提下削減醫(yī)療費(fèi)用仍是科研人員、臨床醫(yī)生無(wú)可回避的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)家約翰·羅杰斯如是認(rèn)定?！拔覜](méi)有聽(tīng)到哪位臨床人士抱怨‘那是異想天開(kāi)，20年以后再說(shuō)吧，’他們總是說(shuō)‘這太酷啦。我們?cè)撊绾伍_(kāi)始合作？’”

　　在羅杰斯看來(lái)，植入式傳感器無(wú)疑是手持智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備的一種自然延伸?！半娮赢a(chǎn)品正朝你走來(lái)，將越來(lái)越近。”他坦承，“最終將與人類(lèi)身體完美整合，一切都是那么順理成章?！?/p>

　　由表及里

　　要超越可穿戴設(shè)備，首先必須研制出直接貼服于皮膚的無(wú)線(xiàn)傳感器，獲知體溫、脈搏、呼吸頻率等一系列生命體征數(shù)據(jù)。令羅杰斯倍感遺憾的是，“彎曲、拉伸、腫脹是組織的基本生物學(xué)行為，而硬硅晶片材質(zhì)的傳統(tǒng)電子器件根本無(wú)法滿(mǎn)足功能需求?！?/p>

　　不久，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明出“表皮電子”（epidermal electronics），這款靈便可彎曲、可生物降解的黏性貼膜密布傳感器，用戶(hù)卻絲毫感覺(jué)不到它們的存在?？崴婆R時(shí)紋身，貼膜選用正常硅電子，經(jīng)過(guò)減薄工藝，通過(guò)橡皮圖章轉(zhuǎn)接至靈活的支持裝置。借助臨近磁場(chǎng)，或由S型線(xiàn)和天線(xiàn)捕捉無(wú)線(xiàn)電波，可為貼膜供電。得益于幾何學(xué)波浪圖形原理，軀體伸展時(shí)波形可實(shí)時(shí)變化，如同手風(fēng)琴式波紋管。

　　羅杰斯與合伙人創(chuàng)立了一家衍生公司——MC10，位于馬塞諸塞州列克星敦市——2016年將正式啟動(dòng)生物印章（BioStamps）的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。這款臨時(shí)貼膜輕薄如一張粘紙，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟電活動(dòng)、水合反應(yīng)、體溫和紫外線(xiàn)暴露量。他透露，雖然初期面向普通消費(fèi)者，醫(yī)用才是研發(fā)初衷。在美國(guó)卡爾慈善醫(yī)院的新生兒重癥監(jiān)護(hù)室，滿(mǎn)眼侵入性導(dǎo)線(xiàn)和監(jiān)測(cè)儀的景象不復(fù)存在，醫(yī)生換用生物印章無(wú)創(chuàng)觀(guān)測(cè)新生兒生命體征，循證數(shù)據(jù)即將出爐。除此，MC10還與總部設(shè)于布魯塞爾的制藥公司UCB協(xié)作開(kāi)展臨床試驗(yàn)，監(jiān)控帕金森病患者的震顫發(fā)作，進(jìn)而實(shí)時(shí)追蹤病情進(jìn)展、及時(shí)判定藥物干預(yù)時(shí)機(jī)。

　　羅杰斯研發(fā)的皮膚貼膜趨向小型化，日本東京大學(xué)的工程師染矢高雄著手制出的傳感器負(fù)載電子皮膚也僅1微米纖薄，雖輕如鴻毛般漂浮，卻足以穩(wěn)健契合肘關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)日常必須的拉伸與扭曲運(yùn)動(dòng)。它可輕松讀取體溫——傷口部位升溫往往提示感染可能——濕度、脈搏、血氧濃度。他的技術(shù)路線(xiàn)是，在硅電子表面建造電路后將有機(jī)電路附印于塑料薄膜，凸顯成本優(yōu)勢(shì)、易于批量投產(chǎn)，而且耐高溫、適應(yīng)水性環(huán)境。

　　美國(guó)斯坦福大學(xué)有機(jī)電子技術(shù)專(zhuān)家鮑哲南同樣在皮膚傳感器研發(fā)領(lǐng)域頗具建樹(shù)。由她團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的“薄壓力傳感器”的本質(zhì)是將微米級(jí)橡膠金字塔加載于兩層薄膜間，即便輕微觸壓金字塔頂端，薄膜間的電流量也會(huì)產(chǎn)生變化。應(yīng)用于心臟可以追蹤動(dòng)脈壓力波速度，推測(cè)血管僵硬度進(jìn)展，得出心臟病發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)。2014年，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局獲準(zhǔn)該款無(wú)線(xiàn)壓力傳感器產(chǎn)品用于晚期心臟病患者。鮑哲南領(lǐng)銜研發(fā)的傳感器設(shè)備可經(jīng)由皮膚表面殊途同歸。

　　有學(xué)者提出，植入機(jī)體越深可能意味著獲取的信息越多。“這也就解釋了，為何醫(yī)務(wù)人員更愿意選擇血液檢查，”美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師邁克爾·斯特拉諾總結(jié)指出，“因?yàn)檠簶?biāo)志物的疾病預(yù)測(cè)價(jià)值得天獨(dú)厚?！?/p>

　　理想狀況下，皮下傳感器不僅無(wú)毒，必要時(shí)可常年在體內(nèi)穩(wěn)定執(zhí)行既定功能，而且具備生物兼容性——這意味著不會(huì)觸發(fā)機(jī)體的免疫反應(yīng)?，F(xiàn)實(shí)則是，絕大多數(shù)現(xiàn)行裝置無(wú)法兼而有之。例如，靶向血液中被稱(chēng)為生物標(biāo)志物的化學(xué)信號(hào)傳感器通常由生物材料制成，后者在體內(nèi)被迅速降解。這無(wú)疑成為當(dāng)前監(jiān)測(cè)糖尿病患者血糖水平的新型實(shí)時(shí)傳感器的重要技術(shù)壁壘，據(jù)斯特拉諾介紹：它主要經(jīng)過(guò)測(cè)定酶反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)氧化氫濃度反映血糖波動(dòng)狀態(tài)。由于這一化學(xué)過(guò)程同時(shí)觸發(fā)傳感器的生物降解過(guò)程，終致使用壽命僅短短數(shù)周。

　　如今，斯特拉諾所在的實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)發(fā)出人工合成、長(zhǎng)使用周期的監(jiān)測(cè)裝置材料，它們可混合入水基凝膠，被如紋身般刺入皮下。所用的“墨汁”由涂有懸掛聚合物鏈的碳納米管組成，具有鎖鑰式化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠識(shí)別生物標(biāo)志物。一旦生物標(biāo)志物與聚合物結(jié)合，它們即可巧妙改變納米管的光學(xué)性質(zhì)：相應(yīng)紋路光亮度增加提示存在生物標(biāo)志物。

　　繼而，斯特拉諾及其團(tuán)隊(duì)還將碳納米管傳感器延展至監(jiān)測(cè)血液一氧化氮濃度——這是提示炎癥狀態(tài)，甚至癌癥風(fēng)險(xiǎn)的一種炎癥標(biāo)志物——以及血糖和皮質(zhì)醇水平，后兩者被證實(shí)是監(jiān)測(cè)創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、焦慮狀態(tài)的應(yīng)激生物標(biāo)志物。小鼠實(shí)驗(yàn)顯示一氧化氮傳感器可連軸運(yùn)行400天，截至目前，這是據(jù)斯特拉諾所知工作時(shí)程最長(zhǎng)且毫無(wú)機(jī)體免疫反應(yīng)隱患的植入式化學(xué)傳感器。對(duì)于很多其他類(lèi)型的設(shè)備，結(jié)論還有待分曉，“電子材料，特別是塑料材質(zhì)和有機(jī)物來(lái)源的，長(zhǎng)期影響尚不得而知”。鮑哲南表示。

　　如今，斯特拉諾正與美國(guó)麻省理工學(xué)院工程師丹尼爾·安德森一道鉆研新的設(shè)備技術(shù)——附加給藥系統(tǒng)的復(fù)合型傳感器設(shè)備。受學(xué)院工程師羅伯特·蘭格通過(guò)一系列觸發(fā)機(jī)制誘導(dǎo)聚合物膠囊適時(shí)釋放藥物成果的啟發(fā)，他們決定率先攻關(guān)微晶片技術(shù)。2012年，尚無(wú)傳感器部件的“芯片藥房”啟動(dòng)首項(xiàng)人體試驗(yàn)，對(duì)象是8位女性骨質(zhì)疏松患者。

　　此前很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，人們對(duì)此類(lèi)裝置的最大期冀是能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)治療疾病。特異性結(jié)合目標(biāo)分子成為斯特拉諾研制設(shè)備一大優(yōu)勢(shì)，然而仍舊未能解除有關(guān)生物標(biāo)志物信號(hào)波動(dòng)可否確切提示健康狀況的固有質(zhì)疑。目前，他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而致力于人類(lèi)生物標(biāo)志物模擬試驗(yàn)，回答傳感器的最佳定位以及能以何種效率快速提供有價(jià)值信息兩大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。正與格斯塔夫協(xié)作研發(fā)的瑞典林雪平大學(xué)電子工程師瑪格努斯·伯格恩提醒同道，“通常情況下，你必須依靠林林總總的感知參數(shù)作出決策。單一化學(xué)信號(hào)高表達(dá)往往難以一錘定音。”

　　目標(biāo)導(dǎo)向

　　當(dāng)前，仍有不少研究者寄希望于再進(jìn)一步深入機(jī)體內(nèi)部，為達(dá)成目的，靈活性、生物兼容性的重要性尤其凸顯。一旦僵硬的傳感器與心臟、腦等運(yùn)動(dòng)性器官組織發(fā)生摩擦，猶如動(dòng)物呼吸時(shí)引發(fā)的細(xì)胞移位，傳感器將迅速被機(jī)體的瘢痕組織包繞其中。無(wú)論何種情況下，只要傳感器相對(duì)于器官組織產(chǎn)生移動(dòng)，所得結(jié)果的可靠性可能蕩然無(wú)存。

　　作為靈活傳感器研發(fā)大軍中的佼佼者，法國(guó)圣埃蒂安國(guó)立高等礦業(yè)學(xué)校生物電子學(xué)工程師喬治及其團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定于取代現(xiàn)行追蹤癲癇病或帕金森病患者腦內(nèi)獨(dú)特電傳導(dǎo)模式的較硬材質(zhì)傳感器。由有機(jī)物、導(dǎo)電聚合體制備而成的柔性電子器件可捕獲到化學(xué)信號(hào)——那些可以引發(fā)電學(xué)改變的離子流。如此，在敏感性提升同時(shí)，研究者能“以與既往截然不同的方式揭秘生物學(xué)世界”。

　　經(jīng)小鼠實(shí)驗(yàn)和兩位手術(shù)患者觀(guān)察證實(shí)，喬治團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的傳感器裝置可準(zhǔn)確檢測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元放電。這個(gè)所謂“組織電離子泵”對(duì)藥物——小電荷顆?！T導(dǎo)的外加電壓可引發(fā)水庫(kù)開(kāi)閘效應(yīng)。借助瑞典林雪平大學(xué)以及法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究所合作者的協(xié)同指導(dǎo)，喬治團(tuán)隊(duì)的癲癇病傳感器成功實(shí)現(xiàn)與離子泵整合一體，通過(guò)執(zhí)行腦部靶點(diǎn)給藥功有效控制癲癇發(fā)作。伯格恩及林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)也依賴(lài)相同技術(shù)制成“鎮(zhèn)痛起搏器”（pacemaker for pain），達(dá)成直接髓內(nèi)給藥夙愿。

　　任何一種電子裝置都難免被“電源”束手束腳。只要附近設(shè)有電源裝置，皮膚表層或皮下裝置完全可以通過(guò)一體化天線(xiàn)借無(wú)線(xiàn)方式獲取充足電能。相比，植入體內(nèi)的傳感器必須標(biāo)配電池，它們往往又大又重，存定期更換不便。以伯格恩的鎮(zhèn)痛泵為例，傳感器導(dǎo)線(xiàn)不得不穿出上覆組織，累贅?lè)爆?、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)無(wú)一避免。

　　面對(duì)困境，不少人選擇迎難而上，也有人愿意繞道前行。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院納米科學(xué)家王中林多年從事于利用人類(lèi)在行走甚至呼吸過(guò)程中的微弱機(jī)械產(chǎn)能?！拔覀儾恍杆尖?，如何能將機(jī)體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能？”他的最新設(shè)計(jì)落腳于人們避之若浼的靜電，將人體呼吸這類(lèi)日常生理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為足以維持起搏器運(yùn)行的工作能量。發(fā)電機(jī)采用兩種不同的聚合物表面，以三明治模式穿插于電極間，再與電路連接。在使用者呼吸過(guò)程中，兩層多聚物表面時(shí)而接觸時(shí)而遠(yuǎn)離，順勢(shì)完成電子交換。電荷積聚必然使電流貫通導(dǎo)線(xiàn)，“吸氣、呼氣，前進(jìn)、后退，上抬、下壓，這一系列運(yùn)動(dòng)即可誘導(dǎo)合成能量。”

　　2014年開(kāi)始，王中林嘗試在小鼠身上檢測(cè)該系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)僅有幾張紙厚度的設(shè)備成功收集到毫瓦級(jí)能量?，F(xiàn)今，他的團(tuán)隊(duì)力圖在豬身上再建新功。

　　羅杰斯的團(tuán)隊(duì)也已利用鎂合金電極創(chuàng)建出生物降解電池，“有些裝置，你可能希望他們能終身使用。而另有一些，短期臨時(shí)應(yīng)用即可滿(mǎn)足需求?！?/p>

　　隱私保護(hù)

　　技術(shù)可能堪屬革命性的，將機(jī)體的傳感器數(shù)據(jù)輸送給外部計(jì)算機(jī)或醫(yī)學(xué)中心卻使可穿戴設(shè)備行業(yè)痛迎一大威脅：黑客。染矢高雄警醒到：“一旦半導(dǎo)體芯片被植入人體，黑客將衍生為真實(shí)世界中的巨大災(zāi)難?！?/p>

　　一個(gè)解決方案是自力更生，即經(jīng)傳感器自身分析原始數(shù)據(jù)，以減少空中電波傳送量。另一個(gè)可行措施則是釜底抽薪，這意味著需要徹底規(guī)避電波。據(jù)尚未正式發(fā)表研究透露出的訊息，瑞典研究者已經(jīng)構(gòu)建起機(jī)體內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，它以體內(nèi)水份作為導(dǎo)線(xiàn)可成功實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)傳輸。為了兌現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備，或設(shè)備與智能手機(jī)之間的信息遞送，使用者必須借助雙手觸及目標(biāo)對(duì)象。此種方式不僅可以確保信號(hào)的低功率屬性與個(gè)人隱私，還能夠有效回避移動(dòng)電話(huà)、無(wú)線(xiàn)路由器飽受詬病的數(shù)據(jù)傳輸擁堵現(xiàn)象。“數(shù)據(jù)傳輸和隱私曝光只是發(fā)生在你的體內(nèi)，”伯格恩認(rèn)定，從機(jī)體到智能手機(jī)的電子標(biāo)記對(duì)象之間的數(shù)據(jù)交換在該系統(tǒng)面前不再是難事，集成皮膚傳感器問(wèn)世也將為時(shí)不遠(yuǎn)。

　　有人預(yù)判，新材料研發(fā)的先行者將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)反對(duì)醫(yī)療監(jiān)管的浪潮。伴隨著化工供應(yīng)商對(duì)故障設(shè)備可能引發(fā)訴訟風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂(yōu)，喬治建議，“對(duì)新型材料應(yīng)用亟需勒緊韁繩”。

　　雖然被稱(chēng)為將一系列設(shè)備與人類(lèi)有線(xiàn)連接領(lǐng)域的創(chuàng)始者，但伯格恩與Acreo的合作者欣然承認(rèn)，使愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要多家公司、多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)全力付出，更需要保險(xiǎn)公司、醫(yī)療保健提供者傾情參與。

　　在伯格恩心目中，探索路上的最大障礙在于“化零為整”。汽車(chē)行業(yè)帶給他莫大的振動(dòng)：“人們極少在路邊見(jiàn)到等候維修救援的故障車(chē)輛。我們能否做到還是個(gè)問(wèn)號(hào)，但這絕對(duì)值得一試。”喬治深有同感，“一輛汽車(chē)的使用期限通常不短于十年，而人類(lèi)的生存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)八九十年之久，它的珍貴性毋庸置疑?！?/p>

　　“有線(xiàn)”生活：皮膚表層或植入式傳感器可以在患病或病情惡化前預(yù)警健康問(wèn)題，但還需克服諸多艱巨挑戰(zhàn)。

　　安置于皮膚表層的傳感器易于使用或移除，它們能提供諸如呼吸、心率、血壓及其他生命體征的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。然而，它們必須足夠柔韌靈活與屈伸自如，以便貼合于機(jī)體的日常運(yùn)動(dòng)。

　　通過(guò)靶向血液生物標(biāo)志物化學(xué)信號(hào)，植入皮下的傳感器如同一把開(kāi)啟信息寶庫(kù)的鑰匙。唯有具備使用周期長(zhǎng)、生物兼容性特質(zhì)的皮下傳感器，才能有效規(guī)避機(jī)體的免疫反應(yīng)觸發(fā)。

　　Epidermis 表皮

　　Dermis 真皮

　　Subcutaneous tissue 皮下組織

　　Carbon-nanotube-based sensors 碳納米管傳感器

　　心臟、腦或其他深部組織的植入式裝置可以從源頭直接搜集數(shù)據(jù)，抑或執(zhí)行特定部位給藥、刺激等任務(wù)。使用前提是，它們必須內(nèi)置電源并實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　Flexible brainsensor 柔性腦傳感器

　　Flexible heartpacemaker 柔性心臟起搏器

　　Spine-implantedion pump 脊柱注入泵