监测体内平衡是获得病理生理学见解治疗患者的一个重要方面。准确、及时地评估深层组织内稳态失调通常需要昂贵的成像技术或侵入性活检。
2024年3月7日，清华大学王禾翎、美国西北大学John A. Rogers及华盛顿大学Chet W. Hammill共同通讯（刘佳琦，刘乃嘉，徐雅梦，武名政，张昊晖为本文共同第一作者）在Science 在线发表题为“Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis”的研究论文，该研究介绍了一种生物可吸收的形状自适应材料结构，可以使用常规超声仪器实时监测深层组织稳态。
通过手术植入或注射器注射，将可生物吸收的小金属盘收集在薄的pH响应水凝胶中，允许基于超声的pH时空变化测量，用于胃肠道手术后吻合口泄漏的早期评估，并且在恢复期后其生物吸收消除了手术取出的需要。在小型和大型动物模型中的演示说明了监测小肠、胃和胰腺渗漏的能力。
体内平衡的破坏是疾病发病的一个核心特征。因此，监测相关解剖部位的体内平衡提供了必要的生理和病理信息，对于在外部可观察到的症状出现之前进行早期诊断至关重要。最近的工作已经证明了生物电子设备在持续、无创地检测与体内平衡相关的参数变化方面的潜力，包括血压和血流、温度、细胞外液pH、血糖、组织血氧测定和脑间质液。测量方式依赖于生理过程的光学、热或射频信号。
生物组织中的衰减限制了这些机制在浅层深度的使用，有时达到厘米尺度，这不足以评估深层组织。监测深层组织内稳态的方法，如计算机断层扫描(CT)、x射线成像或活检，通常是昂贵的、侵入性的，并且与连续检测不相容。在这种情况下，先进的超声成像方法越来越引起人们的兴趣，因为它们易于使用，广泛可用，没有辐射暴露，并且能够在高空间分辨率(几百微米)下探测到相当深度(10厘米或更多)。功能超声成像的最新进展表明了在复杂环境中监测生理和微生物动力学的可能性。
生物可吸收形状自适应超声可读材料结构(BioSUMs)用于实时监测深层组织的稳态（图源自Science）
该研究介绍了生物可吸收的形状自适应结构，可以通过传统的超声成像技术快速、无创地测量深层组织的稳态。由稳态扰动引起的反应性水凝胶基质薄膜的膨胀导致生物可吸收金属元素的稀疏集合之间的分离发生变化，这些金属元素作为指示物，其位置可以通过超声波精确确定。这些元件的声阻抗与周围材料之间的巨大不匹配在超声图像中产生高对比度，从而允许精确测量它们的分离，从而在浅层或深层位置测量周围组织的局部物理或化学特性。一个设想的临床场景是通过胃肠道手术后恢复期pH值的变化实时检测吻合口漏，以便早期干预。这些装置可以存活一段时间，然后自然地进行生物吸收，从而消除了二次外科手术的需要。这一概念在小型和大型动物体内的演示验证了为胃、小肠和胰腺渗漏量身定制的材料设计。
