近年來，生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療中對軟組織生物力學(xué)的實(shí)時、植入式監(jiān)測技術(shù)的需求日益增長，尤其是在不同空間尺度的精準(zhǔn)測量，如從細(xì)胞級別到腦皮層、心臟等器官系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何能夠在動態(tài)變形的組織表面上可進(jìn)行連續(xù)的信號監(jiān)測?？芍踩敕糯笪㈦姌O系統(tǒng)是解決此挑戰(zhàn)的重要可行性途徑之一。該植入放大微電極系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)跟蹤動態(tài)生物力學(xué)特性，以診斷與不同病理生理狀況相關(guān)的疾病，如心律失常、顱內(nèi)壓變化等，特別是在復(fù)雜的組織表面上進(jìn)行高分辨率、多方向的應(yīng)變監(jiān)測，是解決此類生物力學(xué)診斷難題的重要手段。因此，如何設(shè)計(jì)與生物組織緊密接觸且能夠彎曲、伸展、扭曲的柔性器件，以減少生物與非生物界面的機(jī)械失配，是該領(lǐng)域的一個研究重點(diǎn)。

研究表明，柔性應(yīng)變傳感器能夠通過檢測微小的生物形變來表征軟組織的生物信號，但仍然面臨一定的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)金屬應(yīng)變計(jì)雖然具有高可靠性、低柔性阻力和快速響應(yīng)能力，但其應(yīng)變系數(shù)較低。相比之下，基于無機(jī)半導(dǎo)體的應(yīng)變傳感器表現(xiàn)更好，應(yīng)變系數(shù)遠(yuǎn)超過金屬傳感器。然而，這些應(yīng)變計(jì)大多只能檢測單一方向的應(yīng)變，缺乏多方向檢測能力，限制了它們在如顱內(nèi)壓、心律失常、心肌梗死等復(fù)雜生理疾病動態(tài)監(jiān)測中的臨床應(yīng)用。

近日，復(fù)旦大學(xué)光電研究院宋恩名青年研究員團(tuán)隊(duì)在Science子刊《Science Advances》發(fā)表了以題目為《Ultrathin crystalline-silicon-based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics》的研究論文。針對以上挑戰(zhàn)，該研究工作提出了一種全軸向應(yīng)變傳感器，利用超薄的單晶硅納米條帶實(shí)現(xiàn)了對廣泛動態(tài)應(yīng)變的精確檢測，并具有出色的穩(wěn)定性。

圖1.用于軟組織生物力學(xué)監(jiān)測的基于硅納米條帶的超薄全向應(yīng)變傳感器

圖2.基于硅納米條帶的全向應(yīng)變傳感器的傳感特性

圖3.生物可降解、可拉伸和生物兼容的硅納米條帶全向應(yīng)變傳感器

圖4.大鼠模型體內(nèi)心臟機(jī)械生理監(jiān)測應(yīng)用

植入放大微電極系統(tǒng)作為一種可穿戴、可植入的平臺，適用于生物力學(xué)信號的監(jiān)測，且具備良好的生物兼容性。八爪魚狀的納米條帶展現(xiàn)了對不同方向應(yīng)變的特異性響應(yīng)。體外測試顯示，該傳感器的應(yīng)變方向檢測偏差僅為1°，最小應(yīng)變強(qiáng)度檢測靈敏度為0.1%。其對應(yīng)變具有極高的靈敏度，能夠?qū)崟r監(jiān)測生物力學(xué)信號（如眼內(nèi)壓波動和脈搏）。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，體內(nèi)大鼠模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其在檢測心肌梗死和心臟缺氧等病理的有效性。此外，集成可降解聚合物作為封裝后使得該設(shè)備能夠在體內(nèi)完全降解且保有生物兼容性。這項(xiàng)研究為復(fù)雜組織表面生物力學(xué)的持續(xù)監(jiān)測提供了一種全新的臨床應(yīng)用技術(shù)方案。