无线无电池超薄铌酸锂谐振器用于可穿戴和植入式电子设备连续监测机械生命体征

《Nature Communications》：Wireless battery-free ultrathin lithium-niobate resonator as wearable and implantable electronics for continuous monitoring of mechanical vital signs

本研究针对现有生理监测设备存在经皮导线感染风险高、患者活动受限等挑战，开发了一种基于超薄铌酸锂薄膜（LNTF）的无线无电池谐振器。该设备通过检测共振频率变化实现动脉搏动、呼吸暂停和颅内压（ICP）的连续监测，植入式应用在大鼠模型中展现出0.15 mmHg的高灵敏度和28天的长期稳定性，为精准医疗提供了新型生物电子平台。

　　

在当今医疗监测领域，对颅内压（ICP）、动脉搏动和呼吸等机械生命体征的连续监测，对脑疾病和心血管疾病的临床诊断至关重要。然而，现有的皮肤接口和植入技术通常依赖笨重的经皮导线或经皮导管，这些设备不仅限制患者的活动能力，还带来高达23%-52%的感染风险，如脑膜炎等严重并发症。此外，当前技术往往需要在灵敏度和检测范围之间进行权衡，且难以在无线、无电池的条件下实现长期稳定的监测。因此，开发一种微型化、柔性化、无线无电池的植入式/可穿戴设备，能够实时、精准地监测多种生理参数，成为生物医学工程领域的迫切需求。

针对这一挑战，复旦大学Song Enming教授团队在《Nature Communications》上发表了一项创新研究，提出了一种基于超薄铌酸锂薄膜（LNTF）的无线无电池谐振器，用于连续监测机械生命体征。该设备厚度仅约10微米，重量约3毫克，具有优异的柔性和生物相容性，支持可穿戴（如动脉搏动和呼吸监测）和全植入式（如ICP监测）应用。

研究团队通过有限元分析（FEA）优化了器件设计，采用悬浮LNTF结构（厚度3微米）和叉指电极（IDE），实现了高达35%的机电耦合系数和品质因数（Q）约300的谐振器，远优于传统LC谐振器（Q值3-90）。该传感器通过检测生物组织与设备界面应变引起的共振频率偏移（Δf），无线获取生理信号。可穿戴应用显示，设备能精准捕获动脉波形的收缩峰（P_S）、潮汐峰（P_T）、重搏切迹（N_D）和舒张峰（P_D），并实时监测运动后脉搏率变化（从静息81 bpm升至运动后140 bpm）及呼吸暂停事件。植入式应用方面，器件集成空气腔（2×2.2×0.4 mm³）后，在大鼠模型中实现ICP连续监测，检测限达0.15 mmHg，量程达240 mmHg，且长期植入28天未出现性能退化。生物相容性评估（CCK-8实验、活/死细胞染色及组织学分析）表明器件无毒性反应，适合长期植入。

关键技术方法包括：采用激光剥离和转印技术制备自支撑LNTF；光刻与湿法刻蚀定义叉指电极和线圈天线；聚酰亚胺（PI）封装构建柔性多层结构；体外压力测试通过密闭腔体模拟ICP环境；大鼠模型通过开颅手术植入器件，微型CT（Micro-CT）成像验证植入位置；无线频率记录通过矢量网络分析仪（VNA）和自定义LabVIEW程序实现实时采集。

材料、集成方案与LNTF谐振器无线设备的结构设计

研究通过多层材料堆叠（金属线圈、LNTF谐振器、叉指电极嵌入聚酰亚胺层）构建了超薄柔性器件。有限元分析表明，悬浮LNTF结构能显著提升机电耦合效率，无线信号传输强度比涂层器件高数个量级。

无线无电池测量的工作原理

悬浮LNTF谐振器（IDE波长60微米）的共振频率为58.163 MHz，品质因数Q≈300。应变传感灵敏度达56.9 Hz·με^-1，循环测试5000次后性能稳定，最小可检测应变低于0.03%。

可穿戴应用于实时监测动脉搏动和呼吸的机械生理信号

设备与皮肤共形接触，可准确识别动脉波形特征点。运动后监测显示脉搏率与血氧仪结果一致（误差<3%）。呼吸监测能区分正常呼吸与深呼吸，并可检测模拟呼吸暂停事件（频率分析显示0.3 Hz成分中断）。

全植入式无线模块用于ICP监测

器件与PDMS基底键合形成空气腔，有限元模拟显示压力施加可改变IDE间距。体外测试验证线性灵敏度为0.223 kHz·mmHg^-1，检测限0.15 mmHg。与现有技术（压阻、电容、光学等）相比，在检测范围和灵敏度间取得最佳平衡。

在大鼠模型上实时监测ICP

开颅植入器件后，通过腹部压迫模拟ICP变化（2.5-10 mmHg），无线监测结果与商用传感器一致。脑积水模型中，脑脊液注射/抽吸引发的ICP变化可被实时追踪（Δf与压力计相关性R²>0.99）。长期实验（28天）及免疫荧光分析（GFAP、CD68染色）表明器件无炎症反应。

研究结论强调，该无线无电池平台通过高频LNTF谐振器解决了传统设备在柔性、灵敏度和长期稳定性方面的局限。讨论部分指出，未来可通过频率复用技术集成多通道传感，并优化阻抗匹配以提升传输效率。这项工作为精准医疗提供了可临床转化的新型生物电子工具，在脑疾病诊断和家庭健康监测中具有广阔应用前景。