随着现代医学技术的进步，精确地了解人体器官（如心脏、皮肤等）的生物力学特性，对疾病的诊断、治疗效果的评估以及术后监控等方面都至关重要。
传统的金属应变片虽然应用广泛，但其灵敏度通常较低，不能精确捕捉到软组织表面微小的应变变化，在生物力学监测中有较大局限性。
此外，多数应变片通常只能在单一方向上检测应变，这限制了其在多方向动态环境下的应用。例如，心脏等器官在跳动时不仅存在复杂的形变，还涉及到不同方向的应变变化，这使得传统的应变片难以满足监测需求。
基于此，复旦大学光电研究院宋恩名课题组意识到需要开发一种新型的可植入/可穿戴的生物兼容性应变贴片，以便既能提升灵敏度、又能在多方向乃至全轴向上实现高精度的应变检测，最终面向脑心血管疾病监测与病理定向。
图 | 宋恩名（来源：DeepTech）
超薄单晶硅材料因其高灵敏度和优异的机械性能成为了理想的选择。因此这项研究旨在解决几个关键问题：
- 提升生物力学监测设备的灵敏度，以便能够检测到更加微小的应变变化；
- 提供多方向的应变检测能力，能够在动态的软组织上进行精确的应变监测，尤其是对脑心血管疾病如心肌梗死病理进行定向与定位；
- 解决传统应变片在生物相容性和动态操作稳定性方面的不足，提出一种可植入、稳定运行且可降解的方案，从而避免患者术后二次手术的风险。
通过多学科交叉与各方的协同合作，宋恩名与来自材料科学、生物医学工程、医学等领域的研究者们通力合作，开发出一种多方向应变传感器，用于监测软组织生物力学。
借此展示了一种可植入和可穿戴的应变片设备，其结合了多个超薄单晶硅传感器，能够用于动态地监测生物组织表面的多方向应变分布。
器件满足了生物医学研究和临床治疗中的重要需求，展示了其广泛的应用前景，能用于从心脏脉搏监测到面部表情识别，再到眼内压评估等多种场景。
特别令人印象深刻的是，该设备能够在体内评估心脏疾病并准确定位病理方向，具有集成到全降解植入物中的潜力。
（来源：Science Advances）
这一成果主要基于超薄单晶硅纳米薄膜的全向应变传感器，在未来的潜在应用包括：
1、医疗领域的软组织生物力学监测：可用于实时监测心脏、眼角膜等组织的动态力学变化，帮助诊断和跟踪心脏疾病（如心肌梗死、心律失常）及青光眼等病症。
2、可穿戴设备：能够集成到智能可穿戴设备中，用于监测人体运动和健康状况，如心跳、血压等，提供便捷的日常健康管理。
3、植入式生物电子设备：由于其生物兼容性和可降解性，传感器可作为长期植入装置，避免二次手术，应用于术后恢复监测和疾病预防。
4、面部表情识别和人机交互：该设备能够检测面部肌肉的微小运动，可应用于表情识别、虚拟现实及增强现实系统中。
日前，相关论文以《基于超薄晶体硅的全向应变计，用于可植入/可穿戴软组织生物力学的表征》（Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics）为题发在 Science Advances[1]。
Bofan Hu 是第一作者，宋恩名担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
下一步课题组计划将应变传感器阵列化，以覆盖更大范围的软组织，实现多点高精度的应变分布检测。
同时，其计划结合人工智能和机器学习技术，利用大量实验数据训练模型，自动识别和分类不同的生理信号和病理状态。
通过多传感器阵列与深度学习算法的结合，预计将能实现更复杂的心脏疾病的实时诊断，并能预测病变区域的发展趋势。这将大大提升设备的智能化水平，为临床提供更精确的治疗决策支持。
参考资料：
1.Hu, B., Xu, D., Shao, Y., Nie, Z., Liu, P., Li, J., ... & Song, E. (2024). Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics.Science Advances, 10(41), eadp8804.
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