隨著現代醫(yī)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后監(jiān)控等方面都至關重要。

傳統(tǒng)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(jiān)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(tài)環(huán)境下的應用。例如，心臟等器官在跳動時不僅存在復雜的形變，還涉及到不同方向的應變變化，這使得傳統(tǒng)的應變片難以滿足監(jiān)測需求。

基于此，復旦大學光電研究院宋恩名課題組意識到需要開發(fā)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(jiān)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(yōu)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(jiān)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(tài)的軟組織上進行精確的應變監(jiān)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(tǒng)應變片在生物相容性和動態(tài)操作穩(wěn)定性方面的不足，提出一種可植入、穩(wěn)定運行且可降解的方案，從而避免患者術后二次手術的風險。

通過多學科交叉與各方的協(xié)同合作，宋恩名與來自材料科學、生物醫(yī)學工程、醫(yī)學等領域的研究者們通力合作，開發(fā)出一種多方向應變傳感器，用于監(jiān)測軟組織生物力學。

借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，能夠用于動態(tài)地監(jiān)測生物組織表面的多方向應變分布。

器件滿足了生物醫(yī)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，能用于從心臟脈搏監(jiān)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并準確定位病理方向，具有集成到全降解植入物中的潛力。

（來源：Science Advances）

這一成果主要基于超薄單晶硅納米薄膜的全向應變傳感器，在未來的潛在應用包括：

1、醫(yī)療領域的軟組織生物力學監(jiān)測：可用于實時監(jiān)測心臟、眼角膜等組織的動態(tài)力學變化，幫助診斷和跟蹤心臟疾病（如心肌梗死、心律失常）及青光眼等病癥。

2、可穿戴設備：能夠集成到智能可穿戴設備中，用于監(jiān)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：由于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，應用于術后恢復監(jiān)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，可應用于表情識別、虛擬現實及增強現實系統(tǒng)中。

日前，相關論文以《基于超薄晶體硅的全向應變計，用于可植入/可穿戴軟組織生物力學的表征》（Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics）為題發(fā)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，以覆蓋更大范圍的軟組織，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(tài)。

通過多傳感器陣列與深度學習算法的結合，預計將能實現更復雜的心臟疾病的實時診斷，并能預測病變區(qū)域的發(fā)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。