Nature子刊：復旦大學宋恩名團隊開發無線無電池超薄鈮酸鋰諧振器，實時監測顱內壓

編輯丨王多魚

排版丨水成文

對與動態生物力學相關的生理信號如內臟器官壓力、呼吸頻率和動脈脈搏等進行精確且持續的監測，可為腦部疾病、心血管疾病、高血壓和筋膜間隔綜合征等患者的臨床診斷、治療方案建立以及術后恢復評估提供關鍵信息。然而，目前臨床廣泛使用的監測系統多依賴于經顱導線連接的剛性傳感器或導管，存在感染風險高、限制患者活動、長期使用舒適度差等問題。

盡管隨著近年來柔性電子和無線傳感技術的發展，新興的人機集成電子設備能夠與目標軟組織建立緊密的功能界面，但多數設備仍依賴剛性的無線模塊或電池，特別是對于植入應用來說難以實現真正的柔性共形貼附軟組織與長期生物相容性。

針對上述挑戰，復旦大學宋恩名課題組（博士后周連杰、博士生劉鵬川為論文第一作者）創新性地將壓電薄膜諧振器與無線電感耦合原理相結合，提出了一種能夠與人體軟組織無縫集成、無需電池、無線的超薄柔性顱內壓（ICP）傳感系統。利用超薄鈮酸鋰單晶壓電薄膜（LNTF，厚度僅 3 微米）構建了無線的諧振式傳感器，傳感器的超薄結構與無芯片設計使其可以貼附于不同生物組織形成共形接觸，通過諧振頻率的變化來檢測微小的機械形變，實現對人體多種生理信號的高靈敏度、實時監測。

相關研究成果以：Wireless battery-free ultrathin-lithium-niobate resonator as wearable and implantable electronics for continuous monitoring of mechanical vital signs 為題，近日發表于Nature Communications期刊。

圖1：基于超薄鈮酸鋰壓電薄膜諧振器的無線器件工作原理、材料和結構設計

研究團隊以超薄單晶鈮酸鋰薄膜為功能材料、聚酰亞胺（PI）為柔性基底，通過柔性轉印與微納加工工藝構建了厚度僅約 10 μm 的超薄、柔性無線諧振器件。其中，壓電諧振器叉指電極的周期長度 λ 決定其共振頻率 f?，而生物組織界面的機械應變會引起周期長度變化，從而導致共振頻率偏移。這種工作原理使得外部讀取天線能夠以無線、高靈敏的方式捕捉諧振器共振頻率的連續變化。通過有限元仿真與實驗驗證發現懸空結構能使壓電薄膜諧振器的振動能量局域于 LNTF 內，并維持在水平剪切（SH0）共振模式，從而將諧振器機電耦合效率提升至最高 35%，進而有效提高無線傳感的距離和信號強度。

圖2：無線諧振器件的信號和應變傳感性能表征

通過在懸空 LNTF 表面制備周期為 60 μm 間距的叉指電極（IDE），所獲得諧振器的本征頻率為 58.163 MHz，其較高的品質因子（Q≈300）為高靈敏度傳感提供了基礎。此外，通過有限元仿真與應變加載實驗，驗證了器件在拉伸、彎曲等形變下的機械魯棒性，其各功能層應變均遠低于相應材料的斷裂極限。實驗測得器件的應變檢測極限低至 0.03%，靈敏度達 56.9 Hz/με，并對動態及循環應變加載（1000次）表現出優異的可重復性與穩定性。

圖3：基于LNTF諧振器的無線顱內壓傳感器

通過將 LNTF 諧振器與具有空腔的 PDMS 基底進行集成，利用空腔膜在外部壓力下的形變來傳遞應變至懸空 LNTF 薄膜，構建了將壓力信號調制為共振頻率偏移的無線、全植入式壓力傳感器件。體外壓力測量實驗結果表明其壓力檢測極限低至 0.15 mmHg，靈敏度高達0.223 kHz/mmHg，同時量程寬達 0-240 mmHg，完全滿足臨床顱內壓監測的需求范圍。

圖4：大鼠模型在體顱內壓無線監測

在大鼠模型中的植入實驗成功驗證了器件在真實生理環境下的功能。器件能夠準確響應由腹部壓迫引起的急性顱內壓變化，并與商用壓力計結果高度吻合。在模擬腦積水的病理模型中，器件能精準追蹤腦脊液容量變化引發的顱內壓波動，證明了其捕捉臨床相關病理生理信號的能力。此外，體外與在體實驗驗證了器件在長期植入環境下的功能穩定性以及生物安全性。

總的來說，該研究利用鈮酸鋰壓電薄膜和電感耦合原理構建了一種無線超薄的諧振式柔性傳感器件，展現了在生物組織動態生物力學連續精準監測方面的臨床應用潛力。其中，顱內壓檢測靈敏度可達 0.15 mmHg（高于目前醫療器械 1 mmHg一個數量級），并在大鼠體內實現了長達 1 個月的 ICP 實時監測。所開發器件具備的無線通信機制、微型化設計、柔性結構及優異的生物相容性，為未來能夠測量多種生理信號及疾病相關內部壓力的生物電子系統奠定了重要基礎。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67413-0