吻合口（Anastomosis），是外科手術中連接兩處器官組織的縫合處，它可以有效維持器官的正常功能并減少器官的損傷。然而，當出現吻合口滲漏時，可能導致器官組織缺血或壞死，甚至危及患者生命安全。
事實上，所有胃腸手術都有吻合口滲漏的風險，這些滲漏可能是由組織中細微的穿孔引起的，通常是手術切口兩側難以察覺的間隙。據統計，如果不能及早發現泄漏，患者有30%的概率需要住院調養6個月，有20%的概率會死亡。對于胰腺手術患者來說，這一風險更高，有40-60%的患者在胰臟相關手術后會出現吻合口滲漏的并發癥。
換而言之，我們不能完全預防吻合口滲漏，但也許我們可以及早去發現它，以盡量減少滲漏及其并發癥對患者的傷害。如果我們能在24或48小時前檢測到泄漏，就能在患者病情惡化之前發現并發癥，并及時采取措施。
近日，西北大學 John Rogers 教授、清華大學王鶴齡副教授及華盛頓大學醫學院 Chet Hammill 副教授等在國際頂尖學術期刊 Science 上發表了題為：Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis 的研究論文。
這項研究開發了一種新型、史無前例的超聲貼紙——BioSUM，可以附著器官上并隨著身體pH值的變化而改變形狀，這可以作為手術后并發癥（例如吻合口滲漏）的早期預警信號，幫助臨床醫生通過簡單的超聲波設備實時監測患者器官和深層組織的健康狀況。
目前還沒有很好的方法可以實時檢測吻合口滲漏的發生。這些滲漏無法通過成像工具直接觀察，即使是最先進、最復雜的計算機斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）也無法檢測到它們。當病人出現并發癥時，情況往往已經嚴重得不可控了。
因此，臨床上急需開發一種工程方法和一套先進的材料來解決吻合口滲漏的檢測問題。這項技術需要達到實時監測、降低成本的要求，并擴大快速、非侵入性評估的可及性，從而改善患者的術后護理。
讓不可見變為可見
最近的一些研究證明了生物電子設備在持續、無創地檢測與疾病相關的體內參數變化方面的潛力，例如血壓、溫度、血糖、血氧和體液pH值等，測量方式依賴于生理過程的光學、熱和射頻等信號。
然而，生物組織是立體的，衰減效應限制了許多檢測方法在評估深層組織的應用，而計算機斷層掃描（CT）、X射線成像或組織活檢，通常是昂貴的、侵入性的，并且無法做到連續的實時監測。在這種情況下，先進的超聲成像方法成為研究熱點，因為它們易于使用，廣泛適用，沒有輻射暴露，并且能夠在高空間分辨率下探測深層組織。
在這項最新研究中，研究團隊開發了一種生物可吸收的、形狀自適應的新型材料——BioSUM，這種水凝膠可以響應所處生物環境的pH值的變化而改變其形狀，隨后超聲波成像設備可以實時監測這種形狀變化而作出評估。
生物可吸收的形狀自適應超聲可讀材料結構——BioSUM，用于實時監測深層組織中的穩態
超聲波成像具有其獨特優勢——價格便宜，容易獲得，便于攜帶，并且不會使患者暴露在輻射或其他風險中。當然，雖然超聲波技術可以定器官的位置、形狀和結構，但不能可靠地區分各種體液。例如，在超聲成像中，血液和胃液看起來是一樣的。
值得注意的是，雖然滲漏液體的聲學特性與自然發生的生物液體和周圍組織非常相似，但在理化性質上具有特異性，例如pH值不一樣。因此，研究團隊設計了一種方法來克服超聲波技術的局限性——通過使用設計成可被超聲波成像讀取的微型傳感器設備。
具體來說，研究人員使用一種柔性的、對化學反應靈敏的水凝膠材料制作了一種小型、有組織粘性的貼紙。然后，他們在水凝膠的薄層中嵌入了像紙一樣薄的金屬圓盤。當貼紙遇到酸性液體，例如胃酸，它會膨脹；當貼紙遇到腐蝕性液體，例如胰液，它會收縮。
因此，這一水凝膠材料會隨著pH值的變化而膨脹或收縮，嵌入其內部的金屬圓盤也會出現相應的變化——要么分開，要么靠得更近。然后，超聲波設備可以觀察到金屬圓盤的這些細微的位置變化，并作出實時監測評估。
BioSUM隨著pH值的變化而膨脹或收縮
該論文通訊作者 John Rogers 教授表示，由于金屬圓盤的聲學特性與周圍組織的聲學特性有很大不同，因此它們在超聲圖像中提供了非常強烈的對比。通過這種方式，基本上可以“標記”一個器官進行實時監測。
不僅如此，研究團隊還使用生物可吸收材料設計這些貼紙。生物可吸收材料非常符合吻合口滲漏的檢測需求——滲漏最可能發生在手術后3-14天。因此，開發一種可以在患者體內持續存在一個月然后被患者的器官組織吸收消化的材料無疑是十分理想的——當它們不再需要時，它們就會自然地、無害地在體內消失。
BioSUM具有生物可吸收特性
改善患者預后
研究團隊制作了不同大小的貼紙，最大的直徑為12毫米，最小的直徑只有4毫米。考慮到每個金屬圓盤只有1毫米甚至更小，研究人員意識到臨床醫生可能很難直接評估超聲圖像。為了克服這一挑戰，研究團隊開發了一個軟件，可以自動分析圖像，以高精度地檢測金屬圓盤的任何相對運動。此外，研究團隊還使用使用聲學和機械模擬技術來幫助指導材料和設備布局的優化選擇，以確保超聲圖像的高可視性，即使是位于深層組織中的貼紙。
三種尺寸的BioSUM貼紙
為了評估這些貼紙的功效，研究團隊在在小型和大型動物模型上進行了測試。在這些動物實驗中，超聲波成像始終如一地檢測到貼紙的形狀變化——即使它位于組織內部10厘米深的地方也是如此。當接觸到pH值異常高或低的液體時，貼紙會在幾分鐘內改變形狀。
通過對深層組織的超聲成像進行傳感
研究團隊認為，這種小而靈活的“內觀”裝置可以在外科手術結束后植入，也可以靈活地通過注射器直接遞送到體內特定位置。此外，當吻合口較大時，臨床醫生可以沿著切口的長度放置一組這些貼紙，以形成pH值檢測線，從而精確定位滲漏的位置。
研究團隊表示，這雖然只是一個原型產品，但我們可以預想到最終產品，在手術結束時，只需要放置這些小貼紙就可以實現對吻合口滲漏的實時監測。不僅如此，當完成監測工作后，它會被身體吸收而消失，這將極大地改善患者的治療預后。
接下來，研究團隊團隊正在探索可以檢測內出血或體溫變化的貼紙。這個平臺可以適用于不同的指標檢測，檢測pH值的變化是一個很好的起點，這些水凝膠貼紙可以對局部化學、溫度或其他臨床相關特性的其他變化做出反應，從而擴展到其他類型的檢測應用。