一場被科研人員趨之若鶩的醫療科技更迭之爭，卻極有可能助力一輪醫療服務模式、醫療產業格局的變革。
幾十年前，約蘭·古斯塔夫松每日看著人來人往，心中不時思忖的卻是汽車——如何下線生產線的老化模型。今天，古斯塔夫松告知世人，汽車是由最前沿尖端的傳感器、計算機以及能夠預警故障的先進復雜的通訊系統便捷組配而成，這正是現代交通工具罕見帶給駕駛者災難性事故的個中要因。
“我們為什么不能觸類旁通地如此審視人類的機體？”身為瑞典電子公司Acreo工程師的古斯塔夫松不禁自省，如今他的團隊已成為全球將這一理念付諸實踐的諸多先行者之一。不再上演直至患者住院才使健康問題浮出水面的悲劇，它們無異于汽車拋錨，而是在不久的將來，醫療團隊借助類似汽車傳感器的連線設備早期、及時防范各型各類健康隱患。
與瑞典林雪平大學的研究者一道，古斯塔夫松帶領團隊研發出皮膚表層及植入式傳感器，如同一個可接載外部設備又可確保個人安全的體內網絡系統。從藉探測動脈硬化程度反映心臟病發作預判的皮膚貼膜，到癲癇發作檢測設備以及直達腦部病灶區的自動給藥裝置，其他研究小組的技術也緊鑼密鼓。
組織功能訂制是這類新型裝備的設計內核，而非同目前常用的起搏器及其他電子設備那般孤立行事。整合絕非易事，尤其對于材料科學家，他們既要大幅瘦身電路，還要確保電子器件柔韌靈活、拉伸自如且不能對組織產生明顯刺激，這就必須以創新方式建起機體接口。為達成愿望——研發全天候不間斷監測與治療設備，新電源、新信息傳遞路徑成為當務之急。
直至目前，在提升醫療服務品質的前提下削減醫療費用仍是科研人員、臨床醫生無可回避的現實挑戰，美國伊利諾伊大學材料科學家約翰·羅杰斯如是認定。“我沒有聽到哪位臨床人士抱怨‘那是異想天開，20年以后再說吧，’他們總是說‘這太酷啦。我們該如何開始合作？’”
在羅杰斯看來，植入式傳感器無疑是手持智能手機、可穿戴設備的一種自然延伸。“電子產品正朝你走來，將越來越近。”他坦承，“最終將與人類身體完美整合，一切都是那么順理成章。”
由表及里
要超越可穿戴設備，首先必須研制出直接貼服于皮膚的無線傳感器，獲知體溫、脈搏、呼吸頻率等一系列生命體征數據。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行為，而硬硅晶片材質的傳統電子器件根本無法滿足功能需求。”
不久，他的團隊發明出“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，用戶卻絲毫感覺不到它們的存在。酷似臨時紋身，貼膜選用正常硅電子，經過減薄工藝，通過橡皮圖章轉接至靈活的支持裝置。借助臨近磁場，或由S型線和天線捕捉無線電波，可為貼膜供電。得益于幾何學波浪圖形原理，軀體伸展時波形可實時變化，如同手風琴式波紋管。
羅杰斯與合伙人創立了一家衍生公司——MC10，位于馬塞諸塞州列克星敦市——2016年將正式啟動生物印章（BioStamps）的市場營銷。這款臨時貼膜輕薄如一張粘紙，可實時監測心臟電活動、水合反應、體溫和紫外線暴露量。他透露，雖然初期面向普通消費者，醫用才是研發初衷。在美國卡爾慈善醫院的新生兒重癥監護室，滿眼侵入性導線和監測儀的景象不復存在，醫生換用生物印章無創觀測新生兒生命體征，循證數據即將出爐。除此，MC10還與總部設于布魯塞爾的制藥公司UCB協作開展臨床試驗，監控帕金森病患者的震顫發作，進而實時追蹤病情進展、及時判定藥物干預時機。
羅杰斯研發的皮膚貼膜趨向小型化，日本東京大學的工程師染矢高雄著手制出的傳感器負載電子皮膚也僅1微米纖薄，雖輕如鴻毛般漂浮，卻足以穩健契合肘關節或膝關節日常必須的拉伸與扭曲運動。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。他的技術路線是，在硅電子表面建造電路后將有機電路附印于塑料薄膜，凸顯成本優勢、易于批量投產，而且耐高溫、適應水性環境。
美國斯坦福大學有機電子技術專家鮑哲南同樣在皮膚傳感器研發領域頗具建樹。由她團隊創建的“薄壓力傳感器”的本質是將微米級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產生變化。應用于心臟可以追蹤動脈壓力波速度，推測血管僵硬度進展，得出心臟病發作風險。2014年，美國食品藥品監督管理局獲準該款無線壓力傳感器產品用于晚期心臟病患者。鮑哲南領銜研發的傳感器設備可經由皮膚表面殊途同歸。
有學者提出，植入機體越深可能意味著獲取的信息越多。“這也就解釋了，為何醫務人員更愿意選擇血液檢查，”美國麻省理工學院化學工程師邁克爾·斯特拉諾總結指出，“因為血液標志物的疾病預測價值得天獨厚。”
理想狀況下，皮下傳感器不僅無毒，必要時可常年在體內穩定執行既定功能，而且具備生物兼容性——這意味著不會觸發機體的免疫反應。現實則是，絕大多數現行裝置無法兼而有之。例如，靶向血液中被稱為生物標志物的化學信號傳感器通常由生物材料制成，后者在體內被迅速降解。這無疑成為當前監測糖尿病患者血糖水平的新型實時傳感器的重要技術壁壘，據斯特拉諾介紹：它主要經過測定酶反應產生的過氧化氫濃度反映血糖波動狀態。由于這一化學過程同時觸發傳感器的生物降解過程，終致使用壽命僅短短數周。
如今，斯特拉諾所在的實驗室已開發出人工合成、長使用周期的監測裝置材料，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，具有鎖鑰式化學結構，能夠識別生物標志物。一旦生物標志物與聚合物結合，它們即可巧妙改變納米管的光學性質：相應紋路光亮度增加提示存在生物標志物。
繼而，斯特拉諾及其團隊還將碳納米管傳感器延展至監測血液一氧化氮濃度——這是提示炎癥狀態，甚至癌癥風險的一種炎癥標志物——以及血糖和皮質醇水平，后兩者被證實是監測創傷后應激障礙、焦慮狀態的應激生物標志物。小鼠實驗顯示一氧化氮傳感器可連軸運行400天，截至目前，這是據斯特拉諾所知工作時程最長且毫無機體免疫反應隱患的植入式化學傳感器。對于很多其他類型的設備，結論還有待分曉，“電子材料，特別是塑料材質和有機物來源的，長期影響尚不得而知”。鮑哲南表示。
如今，斯特拉諾正與美國麻省理工學院工程師丹尼爾·安德森一道鉆研新的設備技術——附加給藥系統的復合型傳感器設備。受學院工程師羅伯特·蘭格通過一系列觸發機制誘導聚合物膠囊適時釋放藥物成果的啟發，他們決定率先攻關微晶片技術。2012年，尚無傳感器部件的“芯片藥房”啟動首項人體試驗，對象是8位女性骨質疏松患者。
此前很長一段時期內，人們對此類裝置的最大期冀是能夠準確發現并自動治療疾病。特異性結合目標分子成為斯特拉諾研制設備一大優勢，然而仍舊未能解除有關生物標志物信號波動可否確切提示健康狀況的固有質疑。目前，他的團隊轉而致力于人類生物標志物模擬試驗，回答傳感器的最佳定位以及能以何種效率快速提供有價值信息兩大現實問題。正與格斯塔夫協作研發的瑞典林雪平大學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作出決策。單一化學信號高表達往往難以一錘定音。”
目標導向
當前，仍有不少研究者寄希望于再進一步深入機體內部，為達成目的，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、腦等運動性器官組織發生摩擦，猶如動物呼吸時引發的細胞移位，傳感器將迅速被機體的瘢痕組織包繞其中。無論何種情況下，只要傳感器相對于器官組織產生移動，所得結果的可靠性可能蕩然無存。
作為靈活傳感器研發大軍中的佼佼者，法國圣埃蒂安國立高等礦業學校生物電子學工程師喬治及其團隊將目標鎖定于取代現行追蹤癲癇病或帕金森病患者腦內獨特電傳導模式的較硬材質傳感器。由有機物、導電聚合體制備而成的柔性電子器件可捕獲到化學信號——那些可以引發電學改變的離子流。如此，在敏感性提升同時，研究者能“以與既往截然不同的方式揭秘生物學世界”。
經小鼠實驗和兩位手術患者觀察證實，喬治團隊最新研發的傳感器裝置可準確檢測到單個神經元放電。這個所謂“組織電離子泵”對藥物——小電荷顆粒——誘導的外加電壓可引發水庫開閘效應。借助瑞典林雪平大學以及法國國家衛生與醫學研究所合作者的協同指導，喬治團隊的癲癇病傳感器成功實現與離子泵整合一體，通過執行腦部靶點給藥功有效控制癲癇發作。伯格恩及林雪平大學團隊也依賴相同技術制成“鎮痛起搏器”（pacemaker for pain），達成直接髓內給藥夙愿。
任何一種電子裝置都難免被“電源”束手束腳。只要附近設有電源裝置，皮膚表層或皮下裝置完全可以通過一體化天線借無線方式獲取充足電能。相比，植入體內的傳感器必須標配電池，它們往往又大又重，存定期更換不便。以伯格恩的鎮痛泵為例，傳感器導線不得不穿出上覆組織，累贅繁瑣、潛在感染風險無一避免。
面對困境，不少人選擇迎難而上，也有人愿意繞道前行。美國佐治亞理工學院納米科學家王中林多年從事于利用人類在行走甚至呼吸過程中的微弱機械產能。“我們不懈思忖，如何能將機體的運動轉換為電能？”他的最新設計落腳于人們避之若浼的靜電，將人體呼吸這類日常生理運動轉化為足以維持起搏器運行的工作能量。發電機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。在使用者呼吸過程中，兩層多聚物表面時而接觸時而遠離，順勢完成電子交換。電荷積聚必然使電流貫通導線，“吸氣、呼氣，前進、后退，上抬、下壓，這一系列運動即可誘導合成能量。”
2014年開始，王中林嘗試在小鼠身上檢測該系統時，通過僅有幾張紙厚度的設備成功收集到毫瓦級能量。現今，他的團隊力圖在豬身上再建新功。
羅杰斯的團隊也已利用鎂合金電極創建出生物降解電池，“有些裝置，你可能希望他們能終身使用。而另有一些，短期臨時應用即可滿足需求。”
隱私保護
技術可能堪屬革命性的，將機體的傳感器數據輸送給外部計算機或醫學中心卻使可穿戴設備行業痛迎一大威脅：黑客。染矢高雄警醒到：“一旦半導體芯片被植入人體，黑客將衍生為真實世界中的巨大災難。”
一個解決方案是自力更生，即經傳感器自身分析原始數據，以減少空中電波傳送量。另一個可行措施則是釜底抽薪，這意味著需要徹底規避電波。據尚未正式發表研究透露出的訊息，瑞典研究者已經構建起機體內聯網，它以體內水份作為導線可成功實現低頻信號傳輸。為了兌現設備與設備，或設備與智能手機之間的信息遞送，使用者必須借助雙手觸及目標對象。此種方式不僅可以確保信號的低功率屬性與個人隱私，還能夠有效回避移動電話、無線路由器飽受詬病的數據傳輸擁堵現象。“數據傳輸和隱私曝光只是發生在你的體內，”伯格恩認定，從機體到智能手機的電子標記對象之間的數據交換在該系統面前不再是難事，集成皮膚傳感器問世也將為時不遠。
有人預判，新材料研發的先行者將會引發一場反對醫療監管的浪潮。伴隨著化工供應商對故障設備可能引發訴訟風險的擔憂，喬治建議，“對新型材料應用亟需勒緊韁繩”。
雖然被稱為將一系列設備與人類有線連接領域的創始者，但伯格恩與Acreo的合作者欣然承認，使愿景變為現實需要多家公司、多個研究團隊全力付出，更需要保險公司、醫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”。汽車行業帶給他莫大的振動：“人們極少在路邊見到等候維修救援的故障車輛。我們能否做到還是個問號，但這絕對值得一試。”喬治深有同感，“一輛汽車的使用期限通常不短于十年，而人類的生存時間長達八九十年之久，它的珍貴性毋庸置疑。”
“有線”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警健康問題，但還需克服諸多艱巨挑戰。
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量數據。然而，它們必須足夠柔韌靈活與屈伸自如，以便貼合于機體的日常運動。
通過靶向血液生物標志物化學信號，植入皮下的傳感器如同一把開啟信息寶庫的鑰匙。唯有具備使用周期長、生物兼容性特質的皮下傳感器，才能有效規避機體的免疫反應觸發。
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據，抑或執行特定部位給藥、刺激等任務。使用前提是，它們必須內置電源并實現無線數據傳輸。
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