用于肌腱和韧带应变监测的可植入无线传感器：创新突破与应用前景

为解决肌腱和韧带术后监测难题，研究人员开发可植入无线应变传感器，成果对评估植入性能意义重大。

　　肌腱和韧带在人体运动系统中扮演着至关重要的角色，它们如同坚韧的纽带，连接着骨骼与肌肉，或是骨骼与骨骼，承担着传递力量、维持关节稳定以及助力运动的重任。然而，它们却很 “脆弱”，在美国，每年约有 1700 万例韧带和肌腱损伤病例需要治疗，其中超过 40 万患者因前交叉韧带（ACL）撕裂而接受重建手术。当肌腱和韧带承受的应变超过 8 - 10% 时，就会遭受不可逆的损伤。而且，断裂后的组织由于血液供应不足和纤维化紊乱，再生能力差，导致其生物力学性能显著下降。尽管手术修复和移植物植入是恢复受损组织功能的常用手段，但效果却不尽如人意，3 - 25% 的移植物在初次手术后会失败，约 15% 的患者在出院后会再次受伤。这主要是因为难以获取体内组织应变状态的相关信息，无法及时发现移植物再损伤、松动等问题，严重影响了患者的康复效果。

为了攻克这些难题，来自清华大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们成功开发出一种基于功能化医用缝线的无线、贴合解剖结构的应变传感器，用于体内软组织应变的原位监测。这一研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为肌腱和韧带损伤的治疗带来了新的曙光。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，在传感器制备方面，对医用缝线进行功能化处理，将其与生物相容性导电聚合物聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩） - 聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）结合，并封装在医用级硅树脂中，制成双螺旋结构的传感器。其次，构建了电感 - 电容（LC）电路实现无线通信，通过定制的射频系统进行信号传输。再者，利用有限元分析（FEA）对传感器的应变和电容模式进行模拟研究，优化传感器设计。同时，通过动物实验和体外模型验证，评估传感器性能及监测效果。

下面来详细了解一下这项研究的主要结果：

1. 应变传感器的设计与制备：研究人员选用不可吸收的手术缝线（2 - 0）作为传感器基底，将其编织成双螺旋结构，并封装弹性硅树脂，形成纤维芯和硅橡胶外壳的复合结构。用 PEDOT:PSS 对缝线进行功能化处理，使其能对拉伸产生电响应，构建 LC 电路实现无线通信。通过控制 PEDOT:PSS 的处理过程、封装厚度和双螺旋节距等参数，优化传感器性能，最终制备出节距为 1.5 turns/cm、线间距为 1200μm 的传感器。
2. 传感器性能：该传感器监测范围为 0 - 10%，在植入场景下无需预拉伸，应力 - 应变响应符合人体肌腱和韧带的自然拉伸模式，呈现仿生 S 形曲线。在 10% 应变下，电容变化率（ΔC/C₀）约为 0.5，拉伸曲线接近线性，适用于实际运动监测。它还具有良好的稳定性、重复性和高分辨率，能检测到 0.25% 的微小应变，在 6% 应变下经过 30 多万次循环仍保持稳定，且在不同拉伸速度下性能稳定。
3. 无线电路设计：传感器通过定制射频系统无线通信，与电感线圈组成被动 LCR 谐振电路。电路电阻影响谐振频率幅度，系统品质因数为 0.5，能满足微小应变检测。每个传感器植入前进行校准，根据校准得到的斜率和频率变化计算应变。不同组织厚度、解剖位置、材料介电特性和温度对传感器性能影响较小，传感器在生物体温度范围内性能稳定。
4. 无线系统在尸体膝关节标本中的植入：在猪膝关节标本中植入传感器，模拟典型损伤场景评估其性能。在外侧副韧带（LCL）损伤模型中，传感器能准确监测 LCL 在膝关节内翻试验中的应变，韧带损伤时谐振频率明显变化。在 ACL 重建（ACLR）模型中，通过检测传感器频率评估移植物初始固定紧度，不同移植物状态下传感器应变监测结果不同，能有效监测术后并发症。
5. 无线系统的体内植入：体外细胞实验表明传感器生物相容性良好。在兔跟腱和羊髌腱中植入传感器，兔跟腱损伤模型中，损伤组跟腱谐振频率显著高于完整组，且传感器能稳定监测运动中的应变。羊髌腱植入后，通过可穿戴监测设备监测发现传感器在运动中也有相应应变响应，初步证明其在大型活体动物中的监测能力。

在研究结论与讨论部分，该研究开发的传感器具有诸多优势。一方面，基于医用缝线的设计使其能融入现有治疗方式，减少植入难度和对患者康复的影响，且能准确捕捉组织变形；另一方面，双螺旋结构结合软、高模量材料，使传感器既能灵活拉伸，又能防止组织过度拉伸，为开发仿生人工韧带材料提供了思路。不过，目前该研究也存在一些局限性，如传感器数据转换需手动操作，监测自由度受限制，缝线强度不足，可降解材料应用存在挑战等。未来研究可针对这些问题进一步优化，有望推动该技术从实验室走向临床应用，为肌腱和韧带损伤患者带来更好的治疗效果，在评估临床前植入物性能和监测植入物相关手术并发症方面发挥更大的作用。