隨着現代醫學技術的進步，精確地了解人體器官（如心臟、皮膚等）的生物力學特性，對疾病的診斷、治療效果的評估以及術後監控等方面都至關重要。
傳統的金屬應變片雖然應用廣泛，但其靈敏度通常較低，不能精確捕捉到軟組織表面微小的應變變化，在生物力學監測中有較大局限性。
此外，多數應變片通常只能在單一方向上檢測應變，這限制了其在多方向動態環境下的應用。例如，心臟等器官在跳動時不僅存在複雜的形變，還涉及到不同方向的應變變化，這使得傳統的應變片難以滿足監測需求。
基於此，復旦大學光電研究院宋恩名課題組意識到需要開發一種新型的可植入/可穿戴的生物兼容性應變貼片，以便既能提升靈敏度、又能在多方向乃至全軸向上實現高精度的應變檢測，最終面向腦心血管疾病監測與病理定向。
圖 | 宋恩名（來源：DeepTech）
超薄單晶硅材料因其高靈敏度和優異的機械性能成為了理想的選擇。因此這項研究旨在解決幾個關鍵問題：
- 提升生物力學監測設備的靈敏度，以便能夠檢測到更加微小的應變變化；
- 提供多方向的應變檢測能力，能夠在動態的軟組織上進行精確的應變監測，尤其是對腦心血管疾病如心肌梗死病理進行定向與定位；
- 解決傳統應變片在生物相容性和動態操作穩定性方面的不足，提出一種可植入、穩定運行且可降解的方案，從而避免患者術後二次手術的風險。
通過多學科交叉與各方的協同合作，宋恩名與來自材料科學、生物醫學工程、醫學等領域的研究者們通力合作，開發出一種多方嚮應變傳感器，用於監測軟組織生物力學。
藉此展示了一種可植入和可穿戴的應變片設備，其結合了多個超薄單晶硅傳感器，能夠用於動態地監測生物組織表面的多方嚮應變分布。
器件滿足了生物醫學研究和臨床治療中的重要需求，展示了其廣泛的應用前景，能用於從心臟脈搏監測到面部表情識別，再到眼內壓評估等多種場景。
特別令人印象深刻的是，該設備能夠在體內評估心臟疾病並準確定位病理方向，具有集成到全降解植入物中的潛力。
（來源：Science Advances）
這一成果主要基於超薄單晶硅納米薄膜的全嚮應變傳感器，在未來的潛在應用包括：
1、醫療領域的軟組織生物力學監測：可用於實時監測心臟、眼角膜等組織的動態力學變化，幫助診斷和跟蹤心臟疾病（如心肌梗死、心律失常）及青光眼等病症。
2、可穿戴設備：能夠集成到智能可穿戴設備中，用於監測人體運動和健康狀況，如心跳、血壓等，提供便捷的日常健康管理。
3、植入式生物電子設備：由於其生物兼容性和可降解性，傳感器可作為長期植入裝置，避免二次手術，應用於術後恢復監測和疾病預防。
4、面部表情識別和人機交互：該設備能夠檢測面部肌肉的微小運動，可應用於表情識別、虛擬現實及增強現實系統中。
日前，相關論文以《基於超薄晶體硅的全嚮應變計，用於可植入/可穿戴軟組織生物力學的表徵》（Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics）為題發在 Science Advances[1]。
Bofan Hu 是第一作者，宋恩名擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
下一步課題組計劃將應變傳感器陣列化，以覆蓋更大範圍的軟組織，實現多點高精度的應變分布檢測。
同時，其計劃結合人工智能和機器學習技術，利用大量實驗數據訓練模型，自動識別和分類不同的生理信號和病理狀態。
通過多傳感器陣列與深度學習算法的結合，預計將能實現更複雜的心臟疾病的實時診斷，並能預測病變區域的發展趨勢。這將大大提升設備的智能化水平，為臨床提供更精確的治療決策支持。
參考資料：
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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