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非常重要。
传统的金属应变片虽然应用，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。
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，开发出多方向应变传感器，用于监测软组织生物力学。
借此展示了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。
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.
来源： DeepTech深科技
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