對患有心臟或神經系統疾病的人來說，監測器官活動是診斷和治療的重要環節。然而，現有技術高度依賴電氣系統，通常需要將多個電極直接連接至器官所在部位。

如今，新南威爾士大學生物醫學工程學院（UNSW School of Biomedical Engineering）的工程師團隊研發出一種完全柔性的「光電極」（optrode）。這種光學傳感器能將人體的電信號直接轉換為光信號。該裝置的設計模仿人體組織的柔軟度，測試顯示細胞存活率達98.4%，為開發更安全、侵入性更低的長期監測技術鋪平道路。

研究團隊已在《npj Flexible Electronics》期刊發表最新研究成果。團隊表示，這種新型傳感器目前僅在動物身上進行過測試，但有望通過提供更清晰、更精準的電活動數據，改變人體器官活動的繪製和分析方式。

論文第一作者、UNSW School of Biomedical Engineering的 Dr Reem Almsari 表示：「生物電子植入物是一種可以置入人體內的裝置，用於監測心臟和大腦等器官發出的電信號。它們能協助醫生追蹤一個人短期及長期健康狀況的變化和規律。」

「這些裝置通常由硅和金屬等堅硬材料製成。由於人體內部器官柔軟且不斷活動，這種機械性能上的不匹配經常造成組織損傷、疤痕，甚至導致人體『排斥』植入物。」

「這些裝置還依賴金屬導線，而導線彎曲時可能斷裂，也可能接收到大量來自周圍環境的電氣『噪聲』，影響數據質量。」

「我們的新型傳感器克服了這些挑戰，標誌着下一代植入式生物電子技術取得重大突破。」

新材料、新設計

研究人員以柔軟的高性能聚合物取代堅硬、易碎的組件。這些材料經過專門設計，能夠安全地與人體相互作用，其中還包括一種特殊的導電聚合物，即使經過一萬次彎曲仍可保持正常運作。

裝置中間夾有一層高靈敏度液晶，能夠檢測低於毫伏級的信號振幅，即信號的強度，與大腦和心臟產生的信號水平相近。

Dr Almasri 表示：「我們設計這套系統，讓液晶根據所施加信號的振幅調整排列角度，例如大腦發出的信號。」

「它利用光信號測量變化百分比，並將其轉換為可以量化的光學輸出。」

與傳統傳感器不同，這種裝置無需在組織部位安裝本地電子元件或笨重導線即可運作，因此不受電氣干擾影響。電氣干擾是目前生物電子裝置面臨的一項主要問題。

Dr Almasri 表示：「放大器可以協助減少電氣干擾，改善監測部位的信號質量。然而，放大器通常體積較大，並可能在周圍組織產生熱量，從而限制系統性能。」

「當電極尺寸縮小後，就會更難從背景電氣噪聲中分離出信號。」

「利用我們的技術，可以將傳感器縮小至數十微米，約為人類頭髮寬度的一半，而不會降低信號質量，也不會引入任何額外的電氣噪聲。」

對人體無毒

研究人員還測試了柔性光電極在細胞培養環境中的相容性，觀察細胞能否保持健康、正常生長並安全運作而不受損害。結果沒有發現任何毒性或污染跡象。

Dr Reem Almasri 表示：「我們的體外測試顯示，與目前生物監測裝置廣泛使用的硅對照材料相比，光電極不會影響細胞生長和存活率。」

「由於硅比我們的裝置更厚、更堅硬，因此更有可能在較大程度上限制或抑制細胞生長。」

下一步工作

在UNSW的Tyree Foundation Institute of Health Engineering（IHealthE）支持下，研究團隊正通過其衍生公司Sevren Pty Ltd積極加快這項技術的商業化。該公司由新南威爾士大學生物醫學工程學院的 Prof. Nigel Lovell 和 Prof. Francois Ladouceur 創立。

儘管研究人員已通過動物測試驗證傳感器的能力，但進一步開展活體研究，是提升信號分辨率的關鍵下一步。

除心臟和大腦外，這項技術亦可經調整後用於監測腸道、肌肉，甚至單個細胞。

Dr Almasri 表示：「我們希望將信號帶寬擴大至10千赫以上，以捕捉單個神經元的放電活動。」

「液晶的排列方式亦有進一步改善的空間。如果能夠提高裝置的靈敏度，我們便可以在微米尺度上檢測信號。」

這項研究獲國家情報探索研究資助（National Intelligence Discovery Grant）、澳洲研究理事會探索研究資助（Australian Research Council Discovery Grant），以及澳洲國家健康與醫學研究委員會創意研究資助（NHMRC Ideas Grant）支持。