研究背景
对与动态生物力学相关的生理信号如内脏器官压力、呼吸频率和动脉脉搏等进行精确且持续的监测，可为脑部疾病、心血管疾病、高血压和筋膜间隔综合征等患者的临床诊断、治疗方案建立以及术后恢复评估提供关键信息。然而，目前临床广泛使用的监测系统多依赖于经颅导线连接的刚性传感器或导管，存在感染风险高、限制患者活动、长期使用舒适度差等问题。尽管随着近年来柔性电子和无线传感技术的发展，新兴的人机集成电子设备能够与目标软组织建立紧密的功能界面，但多数设备仍依赖刚性的无线模块或电池，特别是对于植入应用来说难以实现真正的柔性共形贴附软组织与长期生物相容性。
文章概述
针对上述挑战，宋恩名课题组创新性地将压电薄膜谐振器与无线电感耦合原理相结合，提出了一种能够与人体软组织无缝集成、无需电池、无线的超薄柔性颅内压（ICP）传感系统。利用超薄铌酸锂单晶压电薄膜（LNTF，厚度仅3微米）构建了无线的谐振式传感器，传感器的超薄结构与无芯片设计使其可以贴附于不同生物组织形成共形接触，通过谐振频率的变化来检测微小的机械形变，实现对人体多种生理信号的高灵敏度、实时监测。相关研究成果以“Wireless battery-free ultrathin-lithium-niobate resonator as wearable and implantable electronics for continuous monitoring of mechanical vital signs”为题发表于Nature Communications。复旦大学光电研究院博士后周连杰、博士生刘鹏川为论文第一作者，宋恩名为论文通讯作者。
图文导读
图1：基于超薄铌酸锂压电薄膜谐振器的无线器件工作原理、材料和结构设计
研究团队以超薄单晶铌酸锂薄膜为功能材料、聚酰亚胺（PI）为柔性基底，通过柔性转印与微纳加工工艺构建了厚度仅约10 μm的超薄、柔性无线谐振器件。其中，压电谐振器叉指电极的周期长度λ决定其共振频率f₀，而生物组织界面的机械应变会引起周期长度变化，从而导致共振频率偏移。这种工作原理使得外部读取天线能够以无线、高灵敏的方式捕捉谐振器共振频率的连续变化。通过有限元仿真与实验验证发现悬空结构能使压电薄膜谐振器的振动能量局域于LNTF内，并维持在水平剪切（SH0）共振模式，从而将谐振器机电耦合效率提升至最高35%，进而有效提高无线传感的距离和信号强度。
图2：无线谐振器件的信号和应变传感性能表征
通过在悬空LNTF表面制备周期为60 μm间距的叉指电极（IDE），所获得谐振器的本征频率为58.163 MHz, 其较高的品质因子（Q≈300）为高灵敏度传感提供了基础。此外，通过有限元仿真与应变加载实验，验证了器件在拉伸、弯曲等形变下的机械鲁棒性，其各功能层应变均远低于相应材料的断裂极限。实验测得器件的应变检测极限低至0.03%，灵敏度达56.9 Hz∙με-1，并对动态及循环应变加载（1000次）表现出优异的可重复性与稳定性。
图3：基于LNTF谐振器的无线器件在穿戴式生理信号监测中的应用
在将无线器件应用于脉搏波监测中，其基于直接机械耦合的传感机制，克服了传统光电容积描记技术易受环境光干扰、检测位置位于毛细血管导致的波形细节模糊等缺点。实验结果显示，该器件能捕获更清晰的脉搏波形特征，并能追踪不同运动状态下脉率与波形形态的连续变化，证明了其在心血管功能评估方面的应用潜力。此外，通过将器件贴附于胸腔皮肤，利用呼吸过程中胸腔容积变化引起的皮肤应变导致的谐振频率偏移，可以实现对不同呼吸模式和呼吸暂停的监测。
图4：基于LNTF谐振器的无线颅内压传感器
通过将LNTF谐振器与具有空腔的PDMS基底进行集成，利用空腔膜在外部压力下的形变来传递应变至悬空LNTF薄膜，构建了将压力信号调制为共振频率偏移的无线、全植入式压力传感器件。体外压力测量实验结果表明其压力检测极限低至0.15mmHg，灵敏度高达0.223kHz·mmHg-1，同时量程宽达0-240mmHg，完全满足临床颅内压监测的需求范围。
图5：大鼠模型在体颅内压无线监测
在大鼠模型中的植入实验成功验证了器件在真实生理环境下的功能。器件能够准确响应由腹部压迫引起的急性颅内压变化，并与商用压力计结果高度吻合。在模拟脑积水的病理模型中，器件能精准追踪脑脊液容量变化引发的颅内压波动，证明了其捕捉临床相关病理生理信号的能力。此外，体外与在体实验验证了器件在长期植入环境下的功能稳定性以及生物安全性。
小结
本研究利用铌酸锂压电薄膜和电感耦合原理构建了一种无线超薄的谐振式柔性传感器件，展现了在生物组织动态生物力学连续精准监测方面的临床应用潜力。其中，颅内压检测灵敏度可达0.15mmHg（高于目前医疗器械1 mmHg一个数量级），并在大鼠体内实现了长达1个月的ICP实时监测。所开发器件具备的无线通信机制、微型化设计、柔性结构及优异的生物相容性，为未来能够测量多种生理信号及疾病相关内部压力的生物电子系统奠定了重要基础。
该工作得到了国家科技创新2030-脑科学与类脑研究重大专项（青年科学家）、国家自然科学基金委等项目的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67413-0
