わずか2×2×2mm³の体積を持つ精密3Dプリントされた注入型超音波センサーは、頭蓋内生理学的信号モニタリングに使用されます。

出典: MF Precision

はじめに: 現在、臨床現場で頭蓋内圧などの主要な生理学的指標を監視する技術では、通常、手術によって患者の頭蓋内に有線センサーを埋め込む必要があります。この方法には、術後の感染や合併症などの一定のリスクが伴います。既存のワイヤレス電子センサーはこれらのリスクをある程度まで軽減できますが、サイズが大きいため（たとえば、従来の電子部品の断面積は 1 平方センチメートルを超えることが多い）、低侵襲注射による埋め込みには適していません。さらに、ワイヤレス電子センサーは体内で自然に分解されないため、患者はセンサーを除去するために二次手術を受ける必要があります。したがって、これらのワイヤレスセンサーも臨床実践において多くの課題に直面しています。

アンタークティックベアは、華中科技大学のZang Jianfeng教授、Jiang Xiaobing教授、シンガポールの南洋理工大学のChen Xiaodong教授のチームが協力し、Morpho Precision Surface Projection Microstereolithography (PμSL) 3Dプリント技術を使用して革新的な注入型超音波ゲルセンサーを開発したことを知りました。このセンサーは、従来の有線センサーの感染リスクや術後合併症の問題を克服するとともに、既存の無線電子センサーのサイズが大きいことや体内で分解できないことなどの臨床応用上の課題を回避することが期待されています。関連する研究結果は、「頭蓋内信号の無線モニタリングのための注入型超音波センサー」というタイトルで、ネイチャー誌オンライン版に掲載されました。

センサーの構造と準備: 「超音波スーパーゲル」と呼ばれるこのセンサーは、二重ネットワーク架橋ハイドロゲルマトリックスと、内部に周期的に配置された空気チャネルで構成されており、その体積はわずか 2×2×2mm³ です。この注射可能なセンサーは、研究チームがMofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3D印刷技術（nanoArch®S140、精度：10μm）を使用して金型を加工し、その後ハイドロゲル成形によって製造しました。コンピューターシミュレーションと構造最適化の結果、この特殊構造は8〜10MHzの周波数帯域に音響バンドギャップを持ち、入射する超音波に対して強い反射能力を持つことがわかりました。

図 1. 注入可能かつ分解可能なスーパーゲル超音波センサーの設計原理。 (a) 超音波反射に基づくスーパーゲル無線頭蓋内生理センサーの概略図。 (b) スーパーゲルサンプルと穿刺針の写真、スケールバー 2 mm。 (c) スーパーゲル構造の顕微鏡写真、スケールバー 500 μm。 (d) スーパーゲルを37℃のPBS溶液に1ヶ月間浸漬した後、分解し始めたことを示す写真。 (e) スーパーゲルの動作原理の模式図。 (f) 変形によって生じるスーパーゲル反射のピーク周波数シフトの模式図。 (g) スーパーゲルのエネルギーバンド構造図。 (h, i) バンドギャップ中心周波数と格子定数(h)およびデューティサイクル(i)の関係。 (j、k) スーパーゲルの変形前後の音響場（シミュレーション）分布。

多機能ゲルセンサー: 研究チームは、さまざまなパラメータを検出するための 3 つの機能ゲルセンサーを設計しました。圧力ゲルは、感度が最大 5.7 kHz/mmHg、分解能が 0.1 mmHg の二重架橋ポリビニルアルコール/カルボキシメチルセルロースゲルを使用しています。温度ゲルは、感熱性ポリビニルアルコール/ポリアクリルアミドゲルで構成されており、温度検出範囲は 28 ～ 43°C、分解能は 0.1°C、感度は 80kHz/°C です。pH ゲルは、プロトン化ポリビニルアルコール/キトサンゲルを使用しており、pH 範囲 2 ～ 8 を検出でき、分解能は 0.5 pH 単位、感度は 256 kHz/pH 単位です。これらのゲルは生体適合性があり分解可能な材料でできており、体内に注入してから約 1 か月後に自然に分解されるため、摘出のために頭蓋切開を行う必要はありません。

同期読み取りとアルゴリズム: 研究チームは、複数のゲルセンサーを同期して読み取るための新しい方法を提案しました。各ゲルの反射周波数の変化を検出し、それを高度なアルゴリズムと組み合わせることで、圧力、温度、pH などの複数の要因の結合効果を効率的に分離し、複雑な生理環境の包括的なモニタリングを実現します。

図 2. スーパーゲル超音波センサーの in vitro テストと特性評価。 (a) 温度およびpH応答性スーパーゲルの模式図。 (b) スーパーゲルと純粋ハイドロゲルの写真（上）と超音波画像（下）、スケールバーは 2 mm。 (c) スーパーゲル構造の顕微鏡写真、スケールバー 500 μm。 (c、d) スーパーゲルと純粋なハイドロゲルの超音波反射信号の時間領域 (c) と周波数領域 (d) の比較。（e）圧力スーパーゲルと市販の差圧計の圧力テストの比較。 (f) 圧力スーパーゲルの較正曲線。 (g) 温度スーパージェルと市販の温度計による温度テストの比較。 (h) 温度スーパーゲル較正曲線。（i）pHスーパージェルと市販の温度計による温度テストの比較。 (j) pHスーパーゲルの較正曲線。（k）圧力スーパーゲルは隣接する血管モデル内の流速を反映します。

動物実験結果：ラットとブタの動物実験では、このゲルセンシングシステムは市販の有線臨床機器に匹敵する検出精度を実証し、エネルギー消費と熱の影響がない点で大きな利点を示しました。実験用ブタでは、同期して埋め込まれた有線圧力センサーではこのような微妙な変化を監視できないのに対し、このデバイスはわずかな呼吸による頭蓋内圧の微妙な変動 (約 1 mmHg) も検出できることは特筆に値します。

図 3. ラットの生体内センシング実験と生体適合性特性評価。 (a) 実験セットアップ構成の写真。 (b) ラットの頭蓋骨に埋め込まれたスーパーゲルの磁気共鳴画像、スケールバー 2 mm。 (c) 外部超音波プローブを装着したラットの写真。 (d) スーパーゲルと臨床用有線頭蓋内圧プローブで検査したラットの頭蓋内圧変化の曲線。 (e、f) スーパーゲルと市販の有線温度プローブでテストしたラットの頭蓋内温度変化の曲線。 (g) ウルトラゲルを使用して、ラットの頭蓋内圧の変化を24日間にわたって複数回モニタリングしました。 (h) スーパーゲルの分解過程を示すH&E染色脳組織切片の写真。 (i) スーパーゲルの持続期間中の炎症を示す免疫蛍光染色写真。

図 4. 実験用ブタの頭蓋内圧のワイヤレス現場モニタリング。 (a) 実験装置の概略図。 (b) スーパーゲルと臨床用有線 ICP プローブを移植した後の豚の頭部の写真。 (c) 豚の腰椎穿刺部位の写真。 (d) 豚の頭蓋骨に埋め込まれたスーパージェルの位置を示す超音波画像。 (e) 豚の腰椎に生理食塩水を注入した後、スーパーゲル、市販の差圧計、臨床用頭蓋内圧プローブで測定した頭蓋内圧の変化。 (f) 容積試験管内の液面の写真は、豚の頭蓋内圧が呼吸とともに変動することを示しています。 (h) ウルトラゲル、市販の差圧計、臨床用ICPプローブで測定した豚の頭蓋内圧（ICP）曲線。臨床用頭蓋内圧プローブでは頭蓋内圧の小さな変化を測定することは困難です。

要約:
この研究では、スーパーゲル材料の変形によって引き起こされる超音波周波数シフト効果に基づいて、頭蓋内圧、温度、pH値、血流速度など、頭蓋内のさまざまな生理学的パラメータを正確に監視できる革新的な埋め込み型ワイヤレスセンシング技術を提案しました。現在市販されている埋め込み型センサーと比較すると、スーパーゲルセンサーは、サイズ、複数のパラメータの分離と監視機能、生分解性において明らかな利点があります。この技術は、頭蓋内の生理学的パラメータのモニタリングに使用されるだけでなく、人体の他の部分の非侵襲的検出にも拡張でき、さまざまな病気の予防と治療に新たな技術的サポートを提供します。この小型で生分解性のセンサーは、低侵襲の注射で使用でき、患者の治療の利便性を大幅に向上させ、スマート医療および健康分野の発展に新たな活力を注入します。

論文リンク:
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

わずか2×2×2mm³の体積を持つ精密3Dプリントされた注入型超音波センサーは、頭蓋内生理学的信号モニタリングに使用されます。

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