浙江大学ACS Nano：可注射可降解非厄米生物遥测系统实现急性骨筋膜室综合征早期诊断

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背景介绍

急性骨筋膜室综合征（ACS）是骨科急症中极具时间敏感性的危重状态，筋膜室内压力（IcP）的病理性升高会损害微血管灌注，触发组织缺氧、水肿和肌肉坏死。一旦诊断延误，可导致不可逆的神经肌肉损伤、肾功能衰竭、脓毒性休克、截肢甚至死亡。然而，当前临床诊断仍主要依赖主观体格检查和间歇性有创压力测量，不仅敏感性和可靠性有限，更关键的是无法捕捉压力升高的时间过程。由于ACS相关的组织损伤同时取决于压力大小和持续时间，而非单一变量，因此亟需一种能将连续压力历史转化为疾病进展定量评估的监测系统。

研究思路

针对上述挑战，浙江大学信息与电子工程学院骆季奎教授团队联合杭州电子科技大学轩伟鹏教授和浙江大学医学院附属第二医院齐义营教授，开发了一种可注射、可降解的生物遥测植入体，用于精确、连续、无线监测筋膜室内压力，并建立了一个将压力-持续时间信号转化为ACS进展定量评估的预测模型。该系统集成了超小型离子型压力传感器与宇称-时间（PT）对称无线读取电路，实现了精确传感并将压力-时间负荷映射到二维ACS病理矩阵上，用于疾病进展的定量预测。该设备在整个临床相关监测窗口内稳定工作，随后自然降解，无需二次取出手术。相关内容以 Injectable Biodegradable Non-Hermitian Biotelemetric System Enabling Early Diagnosis of Acute Compartment Syndrome 发表在 ACS Nano！

图片解析

图1. 用于ACS连续监测和诊断的生物遥测平台： (a) ACS临床表现及微创部署瞬态离子型压力传感器至腿部筋膜室的示意图。(b) ACS中IcP升高的病理生理机制及无线压力采集原理。(c) 传感器的微创部署和传感机制。(d) 压力-持续时间诱导组织损伤的组织病理学评估和定量分析。(e) 整合无线IcP监测用于ACS诊断和治疗指导的临床决策流程。

图2. 生物可吸收离子型压力传感器的设计与性能表征： (a) 冷冻干燥法制备多孔离子膜的示意图。(b-c) 离子膜的横截面和顶面SEM图像，呈现相互连通的多孔网络和丘陵状表面形貌。(d) PVA/[EMIM][OTF]中氢键相互作用的分子动力学模拟。(e) 纯PVA和PVA/[EMIM][OTF]的FTIR光谱，O-H伸缩振动峰从3280 cm⁻¹移至3315 cm⁻¹，证实氢键形成。(f) 纯PVA和PVA/[EMIM][OTF]中氢键数量和长度的定量比较。(g) 离子型压力传感器的结构示意图。(h) 传感器与穿刺针集成用于微创植入的照片。(i) 传感器的电容-压力响应曲线，灵敏度约0.25 pF/mmHg，线性度R²≈0.991。(j) 检出限（LOD）测试，2 mg纸重（~0.015 mmHg）即可引起明显电容变化。(k) 传感器在37°C PBS中体外降解图像随时间变化。(l) 体外降解过程中传感器质量损失曲线。

图3. 离子型压力传感器的体外生物相容性和免疫学评价： (a) RAW264.7和C2C12细胞与传感器提取物培养后的相对活力。(b) Live/Dead染色荧光图像，显示两种细胞以活细胞（绿色）为主。(c) 与传感器直接接触后的细胞存活率百分比。(d) 与传感器直接接触24 h后流式细胞术分析细胞活力，细胞主要分布于左下象限（活细胞）。(e) 共聚焦荧光和(f) SEM图像显示C2C12细胞在传感器表面黏附和增殖良好。(g) RAW264.7细胞暴露于传感器后促炎细胞因子mRNA表达水平。(h) 降解产物处理后RAW264.7细胞CD86平均荧光强度（MFI），未引发显著促炎反应。

图4. 生物遥测系统的体外和体内验证及ACS组织病理学评估： (a) 植入动物模型用于无线IcP监测的生物遥测系统示意图。(b) PT对称生物遥测系统的电路架构。(c) 作为电容扰动δ和归一化耦合系数μ/γ函数的实部本征频率等值面，灰色虚线表示奇异点（EP），蓝点为实验结果。(d) 植入程序序列图。(e) 不同压力负荷下系统的本征频率偏移，虚线为模拟结果。(f) 动态压力加载下的本征频率分裂行为，每60 s采集一次，插图为典型反射谱。(g) TDACSM中胫骨前肌的代表性H&E图像。(h) Hypoxyprobe染色显示不同时间间隔胫骨前肌缺氧损伤。(i) 使用组织学损伤评分系统对TDACSM的组织病理学定量（每个矩阵点n=5只兔）。

结论

该研究成功开发了一种可注射、可生物降解的非厄米生物遥测平台，用于ACS的连续微创筋膜室内压力监测。其核心创新包括：离子型压力传感器利用PVA/[EMIM][OTF]多孔离子膜形成电双层效应，在低压区间（<60 mmHg）实现超高灵敏度（0.25 pF/mmHg）和极低检出限（~0.015 mmHg）；PT对称无线读取电路工作在奇异点（EP）附近，保持高Q值（>10³）和尖锐谐振特征，实现高精度频率追踪；传感器由可降解材料（PVA离子膜、Mg电极、PLGA封装）构成，在PBS中20天后加速降解，无需二次手术取出；在84只兔前胫骨ACS模型中，建立了涵盖不同压力（15-60 mmHg）和时间（3-12 h）组合的二维ACS病理矩阵（TDACSM），并通过HISS评分量化组织损伤；基于实验数据拟合的预测模型（R²=0.9645，RMSE=0.9311）将本征频率信号直接转化为ACS相关组织损伤的定量预测，识别出3-6 h为关键干预窗口期；体内实验证实系统在整个监测窗口内稳定工作，组织学评估显示植入体未引发明显不良组织反应。该“连续监测-病理建模-定量评估”一体化策略为ACS的早期诊断和精准干预提供了全新范式。