近年來，生物醫(yī)學研究和臨床治療中對軟組織生物力學的實時、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測量，如從細胞級別到腦皮層、心臟等器官系統(tǒng)。要實現(xiàn)這一目標，關鍵挑戰(zhàn)在于如何能夠在動態(tài)變形的組織表面上可進行連續(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)可實現(xiàn)跟蹤動態(tài)生物力學特性，以診斷與不同病理生理狀況相關的疾病，如心律失常、顱內(nèi)壓變化等，特別是在復雜的組織表面上進行高分辨率、多方向的應變監(jiān)測，是解決此類生物力學診斷難題的重要手段。因此，如何設計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械失配，是該領域的一個研究重點。

研究表明，柔性應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)金屬應變計雖然具有高可靠性、低柔性阻力和快速響應能力，但其應變系數(shù)較低。相比之下，基于無機半導體的應變傳感器表現(xiàn)更好，應變系數(shù)遠超過金屬傳感器。然而，這些應變計大多只能檢測單一方向的應變，缺乏多方向檢測能力，限制了它們在如顱內(nèi)壓、心律失常、心肌梗死等復雜生理疾病動態(tài)監(jiān)測中的臨床應用。

近日，復旦大學光電研究院宋恩名青年研究員團隊在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變傳感器，利用超薄的單晶硅納米條帶實現(xiàn)了對廣泛動態(tài)應變的精確檢測，并具有出色的穩(wěn)定性。

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

圖2.基于硅納米條帶的全向應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變傳感器

圖4.大鼠模型體內(nèi)心臟機械生理監(jiān)測應用

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)了對不同方向應變的特異性響應。體外測試顯示，該傳感器的應變方向檢測偏差僅為1°，最小應變強度檢測靈敏度為0.1%。其對應變具有極高的靈敏度，能夠?qū)崟r監(jiān)測生物力學信號（如眼內(nèi)壓波動和脈搏）。在醫(yī)學應用方面，體內(nèi)大鼠模型實驗證實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備能夠在體內(nèi)完全降解且保有生物兼容性。這項研究為復雜組織表面生物力學的持續(xù)監(jiān)測提供了一種全新的臨床應用技術(shù)方案。