类型a：原创性研究学术报告

作者及机构
本研究由Xue Cai（清华大学电子工程系、北京信息科学与技术国家研究中心等）、Haijian Zhang（北京理工大学光学与光子学学院等）以及来自清华大学、北京理工大学、首都医科大学宣武医院等机构的20余位研究者共同完成，发表于2024年5月的《Nature Photonics》（Volume 18, 492–500），论文标题为《A wireless optoelectronic probe to monitor oxygenation in deep brain tissue》。

学术背景
研究领域为神经科学与生物电子学交叉领域，聚焦脑组织氧分压（pbTO₂）的实时监测技术。脑缺氧与癫痫、脑卒中、神经退行性疾病等多种病理过程密切相关，但现有技术（如近红外光谱、功能磁共振成像）仅能间接检测血液氧合水平（StO₂），无法直接反映脑组织局部氧分压。此外，传统电化学探针（如Clark电极）存在氧消耗、响应慢、易受电磁干扰等问题。因此，团队旨在开发一种无线、可植入的微型光电探针，实现对自由活动动物深部脑组织的pbTO₂动态监测，为神经代谢耦合机制研究和临床诊断提供新工具。

研究流程与方法
1. 探针设计与制备
- 结构设计：探针由多层薄膜集成，自上而下包括：
- 氧敏感薄膜：铂卟啉（PtTFPP）掺杂聚二甲基硅氧烷（PDMS），厚度约30 μm，通过磷光猝灭效应响应氧分压变化；
- 光学组件：氮化铟镓（InGaN）紫光LED（395 nm激发PtTFPP）和磷化铟镓（InGaP）光电探测器，覆盖二氧化硅/二氧化钛长通滤光片以优化红光（646 nm）检测；
- 柔性基底：铜涂层聚酰亚胺（PI）基板，整体尺寸约300 μm宽×3 mm长。
- 制备工艺：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长LED与探测器，通过紫外激光剥离和湿法刻蚀实现薄膜转移，激光雕刻定义探针形状，最后以PDMS/聚对二甲苯封装。

1. 体外性能验证

   • 氧敏感性测试：在混合气体腔（N₂/O₂）中校准探针信号，结果显示磷光强度与氧分压呈Stern-Volmer线性关系（R²=0.996），检测分辨率达0.8 mmHg（低氧区间）。
     
   • 动态响应：切换气体时，信号上升时间15.7秒，衰减时间0.9秒，优于传统光纤传感器和Clark电极。
     
   • 稳定性验证：探针在PBS中浸泡1个月后光学特性不变，LED驱动电流0.5 mA时温升°C，避免组织热损伤。
     

2. 无线电路开发

   • 电池供电模块：集成蓝牙SoC（nRF52832）、LED驱动（LTC3212）和放大器（OPA391），尺寸12.3×17.3 mm²，重量1.8 g，支持多探头同步传输。
     
   • 无电池版本：通过13.56 MHz射频线圈无线供电，完全植入大鼠皮下，工作温度上升<3.5°C。
     

3. 动物实验

   • 模型构建：在自由活动的小鼠和大鼠中植入探针，定位海马CA3区或运动皮层（M1）。
     
   • 验证实验：
     
     • 缺氧模型：通过改变吸入氧浓度（FiO₂）或夹闭颈动脉诱导急性缺血，探针信号与商用光纤传感器（NeoFox-GT）高度一致（p<0.01）。
       
     • 癫痫模型：电刺激海马CA1区诱发癫痫放电，探针记录到CA3区pbTO₂在发作后30秒内降至<10 mmHg，60秒后恢复，证实神经活动与氧耗的时空关联。
       
   • 多区域监测：刺激CA1区时，同侧CA3区100%出现缺氧，而对侧M1区仅25%试验出现延迟性缺氧，揭示脑网络氧代谢异质性。
     

主要结果与逻辑链条
1. 探针性能：体外数据证实其高灵敏度（0.8 mmHg分辨率）、快速响应（<1秒）和长期稳定性（>2小时连续工作），为体内实验奠定基础。
2. 生理验证：缺氧模型与商用设备的一致性（p>0.05）验证了探针的可靠性；麻醉状态下pbTO₂显著升高（p=0.002），符合已知的代谢抑制效应。
3. 神经机制发现：癫痫模型中，pbTO₂下降与局部场电位（LFP）振荡同步，支持“异常神经活动导致氧耗增加”的假说。扩散模型进一步表明，毛细血管氧供应无法代偿突发的代谢需求。

结论与价值
1. 科学价值：首次实现自由活动动物深部脑组织的无线pbTO₂监测，揭示了癫痫发作中氧代谢的动态时空特征，为神经血管耦合研究提供新范式。
2. 应用潜力：探针的微型化（<300 μm）和无线设计有望推动临床植入式设备发展，例如监测创伤性脑损伤或脑肿瘤患者的缺氧状态。
3. 技术突破：
- 创新传感机制：PtTFPP/PDMS薄膜结合LED-探测器集成，避免电化学探针的氧消耗问题；
- 多模态兼容性：可与电生理记录同步，未来可扩展至多参数监测（如pH、葡萄糖）。

研究亮点
1. 方法学创新：将磷光氧传感与柔性光电器件结合，解决了传统技术的有线束缚和侵入性损伤问题。
2. 跨学科融合：融合材料学（InGaP探测器）、微加工（激光剥离）和神经科学（癫痫模型），推动生物电子学边界。
3. 临床转化前景：无电池版本的成功验证为长期植入铺平道路，补充现有术中监测技术（如fMRI）的不足。

其他价值
- 团队建立了开源光学模型（TracePro）和氧扩散有限元模型（COMSOL），为后续研究提供工具支持。
- 探针的生物相容性数据（GFAP/CD31免疫荧光）显示植入28天后仅局部胶质增生，无严重炎症反应。