根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年植入式传感器行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，随着科技进步，民众医疗支出不断增长，全球医疗传感器市场规模快速上升，预计2021年将达到18.2亿美元。现阶段，医疗传感器主要用于医用医疗设备、家用医疗设备、便携式医疗设备、可穿戴医疗设备制造中，应用场景主要在人体外。植入式传感器是植入人体内，其功能、性能要求与传统医疗传感器存在差异。

植入式医疗电子是比传统便携式医疗设备更为方便、快捷、准确的一类电子器件，其不仅能够实时监测健康状况，还能预测疾病和修复人体机能等，对实现疾病的高精准诊疗和预防具有重要意义。植入式医疗电子是涉及材料、电子、力学与生物医学等学科的医工交叉领域，随着新材料、电子技术和生物力学理论的快速发展，迫切需要研发出微型、柔性、自供电或可降解的多功能且安全可靠的植入式医疗电子器件，为其临床应用提供支撑。国际医疗器械展览会Medtec China自2016年起布局医疗电子，从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区，目前已经有包括日立金属投资（中国）有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展。

可降解植入式生物传感器

植入式传感器可实时监测心率、脉搏、血氧饱和度、血压、血糖、神经信号、体温等指标，根据需要还可以配置电子脉冲等功能。例如，植入式神经刺激传感器可植入到慢性疼痛患者的脊椎旁边，对神经信号进行监测，发现疼痛信号时发射电子脉冲，阻止疼痛信号传递到大脑，从而起到缓解疼痛的作用。随着研究不断深入，植入式传感器功能还在不断增多，在推动医疗技术进步方面具有重要意义。

人体内特殊部位的压力，是监测人体各种严重甚至致命的医学状态的关键诊断参数，包括颅内、腹腔内和肺动脉高压等。商用的植入式传感器在测量压力方面提供了较好的准确性和稳定性，但在患者康复后需要手术切除，以避免感染和其他的风险。可溶解在生物体液环境中的传感器（或生物可吸收的传感器）可避免此类手术的需要，但目前的设计大多涉及硬接线连接，无法在临床寿命内提供定量测量。日前，美国西北大学Rogers教授带领的团队研制了一种基于无源电感电容谐振电路的生物可吸收无线压力传感器，其结构布局和材料组合克服了这些缺点。该传感器经过优化设计，灵敏度最高可达到200 kHz mmHg−1，分辨率可达到1mmHg。使用Si3N4膜和天然蜡封边的包封方法，可实现在体内长达4天的稳定工作。相关工作以“Bioresorbable Wireless Sensors as Temporary Implants for In Vivo Measurements of Pressure”发表在《Advanced Functional Meterials》。

图1：用于体内压力测量的临时植入式生物可吸收无线传感器
工作机理：
图2:可吸收、被动、无线压力传感器的原理图、电路图、工作原理和动物模型应用。a）具有柔性和固定电极的平行板电容器的结构示意图，以产生与压力相关的电容C。b） LC谐振传感器与无线读出系统的等效电路。c） 颅内压无线传感示意图基于与外部读出线圈耦合的植入LC谐振传感器。d） 信号转换过程的流程图。

其工作原理基于谐振电路(LC电路)的无线压力传感器。可变形的导电膜将周围流体的压力转化为机械响应。将这种薄膜与固定电极配对形成平行板电容器，进而将这种弯曲变形转化为电容的变化（如图2所示）。而电容的变化还会导致电路的谐振频率发生变化，这可以通过与外部天线的无线耦合来检测。

工艺过程：
图3:可生物吸收被动式无线压力传感器的制造工艺、结构设计和性能。a） 在制造传感器的各个步骤中收集的光学显微照片。b） 分解图装置示意图。c） 组装的示意图，传感器突出显示电容器上的压力感应窗口。d） 校准曲线：体外测量和压力作为时间的函数。

这些装置的结构包括线圈感应器和电容传感器，并用绝缘层作为隔水屏障。首先，采用激光切割镁箔，制作螺旋线圈感应器（100µm厚；图3a）和电容器组件（底部电极250µm；间隔100µm），将激光切割的锌箔（2µm）夹在两层聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)（每层5µm）之间，然后热压，加工出顶部的柔性电极（图3a，中心）。然后进行电容式传感器的组装：用堪地里拉蜡（一种生物相容性蜡）连接底部电极和间隔棒，并通过用乙酸乙酯蒸汽处理PLGA底层的底表面来粘附上电极，以提高与间隔棒的粘合性。最后使用导电蜡（钨粉和堪地里拉蜡的混合物）将线圈与传感器电连接，产生LC谐振电路（图3a）。在上电极上层压一层Si3N4（2µm）的独立膜，并在传感器周围涂覆一层生物相容性蜡（≈500µm），完成制造。工作性能：Si3N4和蜡制作的生物可吸收的生物体液隔膜可在体内稳定运行4天。系统试验表明，所得传感器的性能可达到商用植入式传感器的响应水平，与用于监测颅内压力升高值（ICP）的临床标准设备相当。

图4: 在大鼠模型上无线测量颅内压。a） 传感器横截面示意图，显示其位于穿过颅骨的毛刺孔上，以便与颅内空间内的液体耦合。b） 缝合手术部位前植入传感器的图像。c） 挤压动物两侧的过程示意图。d） 植入后1d、2d和4d使用生物可吸收无线传感器测量ICP，1d使用商用有线传感器进行相应测量。为了将机械损伤和感染等健康风险降至最低，在1d后取出有线商用ICP传感器。

该装置的一个关键特征是所有组成材料都是可生物溶解的。图4显示了37℃下磷酸盐缓冲盐水中的相关化学和物理过程：镁和锌与水反应形成可溶氢氧化物，导电蜡中的钨在水中氧化生成可溶性酸，氮化硅与水反应生成硅酸和氨，PLGA水解为乳酸和乙醇酸并溶解，而生物相容性蜡在体内降解缓慢。

图4压力传感器在37°C 生理盐水中的降解（溶液每2天更新一次）。

亮点小结：Rogers团队研制的传感器完全由生物可吸收材料构成，在一定时间段内可稳定运行，但最终完全溶解在生物体液中，从而避免了商业同类产品所需的提取手术。用于传感的无源LC谐振机制实现无电池操作，传感器结构简单。改进压力相关电容器的设计，即增加空气腔的体积和减少寄生电容，可以达到临床应用所需的精确度和精密度。

可植入式微系统

可植入式微系统是指利用微纳米技术实现能够长期在体内存在且能够实现特定生物学功能的微纳器件与系统，是微纳米技术的重要研究方向之一。与消费性电子器件、可穿戴器件应用对微纳器件低成本的苛刻要求不同，由于其临床应用的特殊价值，可植入式微系统往往可以接受较高的制造成本，因此可以应用较复杂、高成本的工艺技术来实现特定的功能，这也推动了相关MEMS技术的发展。此外，长期体内植入的应用对系统材料的生物兼容性、生理环境兼容性、能量收集与储存、供电等特性也提出了严格的要求，推动了相关微纳米技术的发展。

目前，主要的可植入式微系统研究对象包括人工耳蜗、人工视网膜芯片、植入式眼压计、神经刺激/控制微系统、植入式药物释放泵(包括眼内药物泵、胰岛素泵等)，以及上述应用所需的微泵、微流量计、微电极(阵列)等。此外，系统封装、能量收集与传输、处理电路也是可植入式微系统研究中的关键问题。

可植入式微系统的实现手段主要为微机电系统(MEMS)技术。为了与体内柔性组织植入应用相适应，可植入式微系统需要建立在柔性MEMS技术的基础上。C型聚对二甲苯(Parylene C)已获得美国FDA认证，是当前可植入式微系统的主要衬底材料，如面向人工视网膜芯片的Parylene C柔性微电极阵列。针对某些较高弹性的应用需求，植入级聚二甲基硅氧烷(PDMS) 也常被用于可植入式微系统中，如眼内可控氧释放植入系统。

封装是可植入式微系统所面对的关键挑战:一方面，大部分可植入式微系统需要通过与生物组织的直接接触来执行相应功能，如微电极刺激/信号采集，因此长期植入过程中由于电极表面的组织增生导致的电极界面电性能退化，是可植入式微系统真正得到长期应用所急需解决的关键问题之一;另一方面，长期植入有可能导致组织体液渗入微系统，具有高离子浓度的组织体液会严重影响微系统中控制电路的性能，因此组织体液的隔离技术也是发展可植入式微系统必须解决的关键问题。

微机电系统 (MEMS) 是用于消费和工业应用的许多电子技术中必不可少的组件。此类设备通常使用选择支持较长使用寿命的材料制成，但设计用于在目标时间后物理分解或溶解的 MEMS 可以提供减少电子浪费的途径，并且可以实现需要有限工作时间框架的应用，例如临时医疗 植入物。

创新点

美国西北大学John A. Rogers和Jan-Kai Chang课题组报告了基于完全水溶性材料平台的生态可吸收和生物可吸收 MEMS，它们既可以自然吸收到环境中以消除固体废物，也可以在体内吸收以避免手术提取的需要。作者通过植入装置及其溶解终产物的机械生物学、组织学和血液学研究来说明该方法的生物相容性。我们还在小动物模型中展示了生物可吸收封装材料和部署策略，以减少设备损坏、限制移动碎片并提供与相邻组织的牢固粘附。

绝大多数可植入式微系统属于主动式微系统，因此需要消耗能量以实现特定的功能，包括电学加载、机械动作、信号处理与传输等。目前通过近体无线传输方式已经在一定程度上解决了此类问题，但更高效率、更高功率的能量传输，以及稳定可靠的能量储存，仍是当前可植入式微系统能量管理系统的关键问题。

信号处理电路是提高可植入式微系统性能的关键，特别是依赖于大规模微电极阵列实现高分辨率刺激或信号采集的可植入式微系统的关键，如人造视网膜芯片就需要依赖大规模阵列信号处理电路的支持。

想要了解采购更多医疗电子相关展品，国际医疗器械展览会Medtec China展商Perma Pure LLC、上海迅音科技有限公司、富延升电子、上海富安、西安远讯光电科技等将在现场带来包括电子元件、组件和附件企业，展品包括CG外夹式超声波流量传感器、IO-Link 主站、可视弯管喉镜、LD/LED光纤滑环等。点击快速预登记。

植入式软体机器人

美国哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员合作开发出一种软体机械装置，可在不与血液接触的情况下帮助心脏跳动泵血。这种可定制的柔性设备，或催生出新的心力衰竭治疗方案，对于心衰患者来说是一个福音。相关研究发表在《科学转化医学》期刊上。

心力衰竭是一种很常见的心脏疾病，全世界有4100万人受心衰影响，他们或需要进行心脏移植，或需要用心室辅助装置（VADs）将血液从心室泵送到主动脉。虽然心室辅助装置技术在不断改进，但是由于VAD内的血液会和和外界物体接触，所以往往会增加患者的凝血风险。

Ellen Roche
2012年的时候，哈佛大学研究生Ellen Roche以及心脏外科医生Frank Pigula开始思考，如何能够在无需接触血液装置的情况下，辅助心衰患者治疗。最后他们认为由柔性材料制成的软体机器人是个不错的选择。许多专注于医疗机器人等医械产品设计研发的企业也纷纷入驻国际医疗器械展览会Medtec China展会现场，包括迈得Maider，米克朗，赛能，IMA spa，欧赛斯，艾利特等。

受心脏功能机理启发，研究人员开发出了这种全新的柔性装置。该装置主要由硅胶制软管、柔性气压传动装置和气泵三部分组成。研究人员通过吸入装置、凝胶界面和手术缝合相结合的一套组合手段，将软管缠绕在心脏外围，就如同心脏外层肌肉一般。软管与周围的柔性气压传动装置相连，依靠外部气泵提供的动力，以心脏跳动的节律同步进行收缩、扩张，辅助心脏泵血，从而增强受心衰影响的心血管功能。

与现有的心室辅助装置不同，这一新装置并不会直接接触到血液，进而降低了血管阻塞的风险，未来使用该装置的病人不必再服用具有潜在危害的血液稀释类药物。新装置的另一个优势在于，它可以针对病人不同情况进行定制，并可根据病情变化，随时调节压力强度。如病人的左心室更衰弱，就可以调节装置对左心室提供更多帮助。

经过多年的研究，他们为解决心脏排异的问题进行了机器人的多次更新。现在可以看到的圆柱形装置由小于1毫米厚的硅制成，形成制动器的筒外圆环和自下而上的螺旋分层。其中的机械环就是在填充加压空气时起膨胀和收缩作用的管，可以让软体机器人根据需要执行各种动作，甚至一次性完成心脏一侧收缩也没问题。

目前，研究人员已经在活体猪体内做了概念性的实验研究，虽然结果很理想，证明了此方案的可行性，但是将机器人植入人体内进行试验还需要再研究。

参考文章：
柔性电子大佬/西北大学Rogers团队最新成果：可降解植入式生物传感器
可植入式微系统
用于植入式器件的混合压电驻极体高效超声波能量收集器
生物电子-生态可吸收和生物可吸收的微机电系统（MEMS）
新型植入式血管监测系统：可无线传输血流数据！