球盟会(中国)

针对上述问题，北京理工大学集成电路与电子学院柔性电子器件与智造研究所沈国震教授、刘志荣副教授团队首次将酸响应声学水凝胶与可穿戴柔性超声阵列相结合，实现了术后吻合口漏的无线、无创、持续监测与主动封堵，为胃外科术后管理给予了全新范式。具体而言，一种生物可吸收水凝胶贴片作为唯一植入物，能够响应胃酸，在时域和频域上调控超声回波信号。顺利获得可穿戴超声阵列，该策略可实现早期漏检（1小时内）和毫米级空间定位。同时，该水凝胶贴片具有酸增强的漏口密封能力，并在愈合期后自然降解，从而无需手术取出。球盟会(中国)在大鼠胃穿孔模型中验证了其在时空监测、吻合修复和生物可吸收性方面的能力。该系统无需复杂的电子植入物，凸显了其在胃吻合口漏术后监测与管理中的临床潜力。该文章于2026年4月15日以《Bioresorbable acoustic patch for simultaneous sealing and early detection of gastric leakage》为题发表于《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.aec6857）。

(1) 用于无线监测胃部渗漏的超声系统设计

该系统包含两个核心子系统：（ⅰ）可注射酸响应水凝胶贴片，用于瘘口密封与声学指示；（ⅱ）可穿戴超声阵列，用于吻合口处胃液外渗的无创监测。水凝胶植入物顺利获得原位光交联封闭伤口（图1A）；胃液泄漏时，植入物中碳酸钙纳米颗粒与胃液反应释放Ca²⁺，触发水凝胶二次交联以增强局部密封，同时生成的CO₂微气泡作为声学造影剂增强超声回波信号，由体表4×4超声换能器阵列检测（图1B）。回波信号经带通滤波、时域及频域分析后，以热力图可视化渗漏部位（图1C）。水凝胶贴片可随时间体内降解，无需二次干预。可穿戴超声阵列由16个1-3型压电复合单元顺利获得蛇形电极连接构成，封装于聚二甲基硅氧烷中，实现与人体表面的共形接触（图1D）。超声以峰值频率f₀发射，碳酸钙纳米颗粒使回波较周围组织增强以定位伤口；泄漏胃酸激活后，CO₂微气泡与周围组织声阻抗差异显著，导致回波信号强度明显增强，且二次谐波（2f₀）较基频增强更为显著（图1E）。该系统可从超声回波的时域和频域两方面反映胃酸泄漏情况，降低相邻组织干扰并提高监测可靠性。

图1. 用于无线监测胃部渗漏的超声系统设计。(A) 超声波技术在手术中的应用，包括缝合伤口、植入水凝胶、利用酸液刺激产生微气泡，以及促进水凝胶的降解过程。 (B) 可穿戴式超声阵列能够检测到来自水凝胶植入物的回声信号，从而判断胃液是否泄漏。 (C) 热图显示了不同区域的超声回声信号情况，有助于确定泄漏位置。 (D) 可穿戴式超声阵列的构造示意图。 (E) 由于微气泡的形成，水凝胶植入物反射的超声信号的基本频率和二次谐波频率会发生变化的示意图。

(2) 水凝胶贴片的制备与性能表征

水凝胶由GelMA、SA和CaCO₃ NPs组成，经405 nm紫外光固化形成GCS，浸入模拟胃液后HCl与CaCO₃ NPs反应释放Ca²⁺并产生CO₂，Ca²⁺诱导SA交联形成GCS-A，增强网络密度以滞留CO₂微气泡（图2A）。扫描电镜显示GC较GelMA孔径显著减小，CaCO₃ NPs粒径约100 nm；酸激活后GCS-A孔径由30 μm降至10 μm，CaCO₃ NPs完全消失（图2B）。流变测试表明SA浓度1.5%（w/v）最优，高剪切速率153 s⁻¹下粘度约197 mPa·s，低剪切速率0.1 s⁻¹时升至25,500 mPa·s（图2C）。GCS粘附强度为21.7 kPa，高于GC（18.4 kPa）和GelMA（15.5 kPa）；GCS-A为21.5 kPa，与GCS相当（图2D）。GCS贴附于猪胃壁及皮肤后，经拉伸、弯曲、扭转和水冲仍保持牢固粘附（图2E）。GelMA、GC、GCS和GCS-A杨氏模量分别为6.20±0.25、11.24±0.65、10.53±0.99和25.08±0.63 kPa，GCS-A较GCS提升约2.38倍（图2F-G）。GCS在模拟胃液中24小时质量稳定，GelMA和GC出现质量损失（图2H）。体外渗漏模型中，GelMA 4小时后渗漏量大于8.8 g，GC和GCS 24小时后均小于0.6 g（图2I）。长期降解显示PBS组6天几乎完全降解；模拟胃液组GCS稳定维持6天，15天后逐渐降解（图2J）。小鼠皮下植入1周后组织学结构完整，TNF-α表达与假手术组无差异；2周后伤口均完全闭合。

图2. GCS水凝胶的制备与性能表征。（a）GCS水凝胶制备流程及酸触发二次交联与微气泡生成示意图；（b）酸激活前后GCS水凝胶的SEM图像；（c）不同SA浓度GCS预凝胶溶液的粘度-剪切速率测试；（d）不同水凝胶剪切粘附强度的示意图及测试曲线；（e）GCS水凝胶贴附猪胃壁后经拉伸、弯曲、扭转及水冲后的粘附情况照片；（f）不同水凝胶的压缩应力-应变曲线及（g）相应杨氏模量（均值±标准差，n=3）；（h）不同水凝胶在PBS和模拟胃液中的溶胀率（均值±标准差，n=3）；（i）猪体外胃液渗漏模型及实验结果（均值±标准差，n=3）；（j）GCS水凝胶在PBS和模拟胃液（SGF）中的体外降解。

（3）水凝胶贴片的超声检测功能的特性分析

B超及UWN造影成像显示，GCS因CaCO₃ NPs掺入较GelMA回声增强，GCS-A因CO₂微气泡生成回声更强（图3A）。CaCO₃浓度优化为1.5%（w/v），时域信号定位于11-18 μs，GCS较GelMA振幅增加约2.6倍，GCS-A增幅达10.9倍，信噪比近40 dB（图3B）。GCS-A主导频率约1.89 MHz，二次谐波（3.78 MHz）衰减减缓（图3C）。频域经3.5-4.5 MHz带通滤波后，GCS-A回波总能量增加约5倍，该频段能量增加约32倍，二次谐波不成比例增强，可区分泄漏信号与胃内空气基频信号（图3F）。GCS浸入模拟胃液后20分钟可见微气泡，2小时达峰值密度，24小时后仍有残留（图3G）。COMSOL模拟显示微气泡生成后回声增强，饱和达峰值后随消散减弱（图3H）。商用超声探头监测与模拟一致：回声振幅1小时达最大值，16小时后低于初始值（图3I-J）。双网络结构限制微气泡迁移聚集。模拟体内泄漏实验中，GCS每小时接受2 ml模拟胃液，信号随累积酸量持续上升。超声入射角影响回声强度，测试时选取最大振幅位置测量。微气泡作为超声造影剂，可实现瘘口准确定位和胃酸泄漏及时检测，监测窗口超过8小时。

图3. GCS水凝胶的超声响应特性。（a）GelMA、GCS和GCS-A水凝胶的代表性照片、B超图像及UWN造影增强超声图像；（b）不同水凝胶时域超声反射率对比；（c）GCS-A水凝胶反射信号的时域与频域表征，显示峰值频率约1.9 MHz；（d）不同水凝胶反射信号最大振幅的统计分析（均值±标准差，n=3）；（e）不同水凝胶反射信号包络面积的统计分析（均值±标准差，n=3）；（f）GCS水凝胶激活前后频带能量计算结果对比（均值±标准差，n=3）；（g）GCS水凝胶中微气泡生成的时间窗口；（h）微气泡生成过程中GCS水凝胶超声响应的数值模拟；（i）微气泡生成过程中GCS水凝胶反射超声信号时域振幅对比；（j）微气泡生成过程中GCS水凝胶反射超声信号包络面积与谱峰的定量分析（均值±标准差，n=3）。

（4）可穿戴式超声阵列的制备与性能表征

可穿戴超声阵列采用PZT-5H/环氧1-3型压电复合材料，单元尺寸约2 mm，基频约2 mm，纵向机电耦合系数高（图4A）。16个单元顺利获得蛇形电极连接形成4×4阵列，中心间距4 mm，各单元可独立激活；电极间由PET绝缘，整体封装于PDMS中，厚度仅1.28±0.1 mm（图4B-D）。蛇形电极拉伸断裂前电阻变化可忽略，R/R₀比值在0.88-1.15之间波动；40%应变下保持优异抗疲劳性能（图4E-F）。单元峰值频率1.98 MHz，-6 dB带宽20%（图4G）；阻抗谱显示fr=1.95 MHz、fa=2.37 MHz，kt=0.67，keff约0.56（图4H）。16个单元fr和fa值高度一致，压电性能均匀性良好（图4I）；不同弯曲曲率下阻抗谱保持稳定（图4J）。COMSOL模拟显示超声穿透皮肤、脂肪、肌肉等多层组织到达深度超过30 mm的胃壁，方向性良好（图4K）。体外监测验证GCS-A较GCS时域振幅增加约7.2倍；三种水凝胶谱峰及频域能量差异显著（图4L）。阵列监测GCS-A微气泡响应时间窗的原始信号经处理后，与商用超声探头高度一致，穿透深度良好（图4M）。该阵列可用于监测GCS水凝胶结构变化，提升术后监测便利性。

图4. 可穿戴超声阵列的设计与表征。（a）单个超声换能器单元结构示意图；（b、c）可穿戴超声阵列照片及其柔性展示；（d）可穿戴超声阵列厚度仅1.28 mm；（e）蛇形可拉伸电极的拉伸断裂测试及其电阻变化；（f）蛇形可拉伸电极反复拉伸下的耐久性评估；（g）1-3型压电单元的脉冲回波响应及相应频谱；（h）1-3型压电单元的阻抗谱及相角，插图为等效RLC电路；（i）16个1-3型压电单元的谐振频率（fr）与反谐振频率（fa）；（j）不同弯曲曲率下超声阵列的阻抗谱；（k）1-3型压电单元在人体腹部穿透深度的数值模拟；（l）可穿戴超声阵列获取的不同水凝胶回波信号谱峰及频域能量定量分析；（m）微气泡生成过程中GCS反射回波信号最大振幅及包络面积的定量分析。

（5）在动物模型中，对监测与修复效果的评估

大鼠胃穿孔模型验证系统体内检测能力：胃壁制造4 mm切口，伤口处注射固化GCS水凝胶；短期泄漏组额外缝合切口，顺利获得超声模块采集回波信号（图5A）。医用超声设备对比泄漏前后图像，证实GCS水凝胶体内造影效果良好（图5C）；酸泄漏时微气泡生成使信号增强，UWN造影较常规B超对比分辨率更优。可穿戴阵列24小时监测显示：泄漏时GCS-A反射回波增强，最大振幅增加约4倍，较文献报道酸触发水凝胶溶胀监测方法（尺寸变化≤30%）灵敏度更高（图5D）。短期泄漏组信号最初数小时增加，无新鲜酸后约4小时逐渐下降；持续性泄漏组信号持续增强，术后16小时达峰值后稳定。持续性泄漏组24小时内切口与周围区域回波频带能量对比显示泄漏逐渐增加并向周围扩散（图5E）。术后2周Masson染色显示两组红色肌层重新连接，蓝色胶原有序沉积，水凝胶与组织整合良好（图5F）；免疫荧光显示实验组CD31升高3.3倍、α-SMA升高2.1倍，提示新生血管增强、愈合加速（图5G）。术后4周伤口基本愈合。GCS水凝胶植入1周后主要器官未见明显病理改变；2周时保持结构完整性，4周时基本降解，无需二次手术取出。

图5. 动物模型中监测与修复效果的评估。(A) GCS 水凝胶在大鼠胃穿孔模型中的植入及监测过程的示意图。ADC：模数转换器。(B) GCS 植入前后，大鼠胃穿孔部位的典型图像。(C) 胃酸泄漏前后，大鼠体内 GCS 水凝胶的 B 模式超声图像和 UWN 对比增强超声图像。(D) 三种术后情况下回波最大幅度的变化情况：短期泄漏、持续泄漏以及正常区域（n≥4）。IQR：四分位数范围。(E) 可穿戴超声阵列所检测到的回波信号的频带能量在时空上的分布情况。(F) 大鼠胃穿孔手术两周后，实验组和对照组（缝合闭合组）的伤口组织组织学染色结果，包括 H&E 染色、Masson 染色和免疫荧光染色。CD31 被标记为红色，α-SMA 被标记为绿色，细胞核被标记为蓝色。(G) 对(F)中 CD31 和α-SMA 的平均荧光强度进行定量分析（平均值±标准差，n=3）。