復(fù)旦大學(xué)，大連理工大學(xué)和北京大學(xué)：研究一種超薄全軸向應(yīng)變傳感器

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內(nèi)容概覽

1.現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)：

靈敏度有限：現(xiàn)有的應(yīng)變計(jì)方法通常只能在準(zhǔn)靜態(tài)條件下進(jìn)行感測(cè)，且靈敏度不足，無法精確地監(jiān)測(cè)生物體表面在動(dòng)態(tài)和多方向上的應(yīng)變。

方向性局限：很多現(xiàn)有技術(shù)僅優(yōu)化針對(duì)特定方向的感知，缺乏在多方向上的應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力，限制了其在復(fù)雜生物力學(xué)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，尤其是在如心臟、皮膚等組織的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。

2.文章亮點(diǎn)：

多方向應(yīng)變監(jiān)測(cè)：作者提出了一種新型可植入/可穿戴應(yīng)變計(jì)，集成了多個(gè)沿不同方向排列的超薄單晶硅傳感器，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)多方向的應(yīng)變，并提供更精準(zhǔn)的生物力學(xué)信息。

高靈敏度與精確性：該應(yīng)變計(jì)具備高達(dá)0.1%的靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)雜的生物信號(hào)（如眼壓波動(dòng)和脈搏）。在體外實(shí)驗(yàn)中，其方向的相對(duì)偏差僅為1°，表現(xiàn)出優(yōu)異的方向特異性響應(yīng)。

臨床應(yīng)用潛力：該設(shè)備可在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如用于心臟疾?。ɡ缧募」Ｋ篮托穆墒С＃┑脑\斷，并能夠準(zhǔn)確定位病變部位的病理方向。

生物降解性：該應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)為可降解的生物材料，使其在體內(nèi)使用時(shí)能夠完全降解，具有更好的生物相容性，適合長(zhǎng)時(shí)間植入使用。

3.應(yīng)用場(chǎng)景：

心臟疾病監(jiān)測(cè)：該應(yīng)變計(jì)能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟表面應(yīng)變，幫助診斷和定位心臟病變，如心肌梗死和心律失常等。

眼壓監(jiān)測(cè)：能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)眼內(nèi)壓變化，應(yīng)用于青光眼等眼科疾病的診斷和治療監(jiān)控。

生物力學(xué)研究：該技術(shù)可用于廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究，監(jiān)測(cè)軟組織和器官的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。

植入式醫(yī)療設(shè)備：作為可降解的植入設(shè)備，可用于長(zhǎng)期的生物力學(xué)監(jiān)測(cè)，提供個(gè)性化的疾病診斷數(shù)據(jù)。

4.總結(jié)：

作者提出的超薄單晶硅應(yīng)變計(jì)（OSG傳感器）突破了現(xiàn)有技術(shù)的局限，具備多方向、超高靈敏度的應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力，能夠在復(fù)雜動(dòng)態(tài)生物力學(xué)監(jiān)測(cè)中提供精確的診斷信息。該傳感器不僅可作為可穿戴設(shè)備進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，還可以作為植入式設(shè)備用于實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的生物力學(xué)監(jiān)測(cè)。其生物相容性和可降解性使其在臨床治療中具有廣泛的應(yīng)用潛力，尤其在心臟疾病、眼科疾病和軟組織力學(xué)研究方面。

文章名稱：Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics

期 刊：Science Advances

文章DOI：10.1126/sciadv.adp8804

通訊作者：復(fù)旦大學(xué)宋恩名青年研究員，梅永豐教授，大連理工大學(xué)李銳教授和北京大學(xué)韓夢(mèng)迪助理教授

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圖文簡(jiǎn)介

圖1. 基于超薄硅納米線（Si-NR）的有機(jī)應(yīng)變傳感器（OSG）設(shè)備用于軟組織生物力學(xué)監(jiān)測(cè)。(A) 可穿戴及植入式OSG設(shè)備在生物組織上安裝以機(jī)械監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的示意圖，以心臟脈搏為例（右側(cè)）。頂部中間插圖：傳感區(qū)域包含四個(gè)基于Si-NR的傳感器，按全方向標(biāo)尺對(duì)齊（從S1到S4），角度間隔為45°。底部中間插圖：OSG傳感器在可穿戴傳感器貼片（WST）上的圖像。(B) 轉(zhuǎn)移的OSG傳感器在手腕上的照片，(i) 在溶解WST之前和(ii) 之后。(C) 在相同應(yīng)變條件下，代表性Si-NR傳感器（長(zhǎng)度為1和3 mm）與金屬傳感器（長(zhǎng)度為3 mm）相比的相對(duì)電阻變化。(D) 從50個(gè)不同OSG設(shè)備收集的各種Si-NR傳感器的電阻（藍(lán)點(diǎn)）和增益因子（GF，紅點(diǎn)）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均值分別為1609.5 ± 255.5歐姆和0.178 ± 0.03。(E) OSG傳感器在三種不同機(jī)械變形模式下的光學(xué)圖像，包括25 mm半徑的彎曲、10%延伸的拉伸和160°角度的扭轉(zhuǎn)。插圖：每種對(duì)應(yīng)狀態(tài)下應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變分布有限元分析（FEA）結(jié)果。比例尺，1 cm。

圖2. 基于硅納米線（Si-NR）的有機(jī)應(yīng)變傳感器的傳感特性。(A) 硅納米線基應(yīng)變傳感器的傳感區(qū)域放大光學(xué)圖像。(B) 在人工皮膚基底上，硅納米線在0%、5%和15%沿y軸拉伸的情況下，最大主應(yīng)變分布的有限元分析（FEA）模擬結(jié)果。(C) S1傳感器的相對(duì)電阻變化（藍(lán)線）與循環(huán)拉伸應(yīng)變（紅虛線）對(duì)應(yīng)關(guān)系（應(yīng)用應(yīng)變?chǔ)臿ppl. = 0至15%，應(yīng)用角φappl. = 22.5°，沿S1傳感器方向）。(D) S1傳感器在階梯拉伸應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化（應(yīng)用應(yīng)變?chǔ)臿ppl. = 0至15%，以5%間隔和0至0.3%，以0.1%間隔，φappl. = 22.5°）。(E) S1傳感器實(shí)驗(yàn)中相對(duì)電阻變化的結(jié)果（藍(lán)點(diǎn)）、理論方程（藍(lán)虛線）和有限元分析（紅點(diǎn)）在施加固定強(qiáng)度應(yīng)變（εappl. = 10%）下，隨順時(shí)針方向角φappl.變化的硅歸一化應(yīng)變的結(jié)果。插圖展示了εappl.的示意圖。a.u.，任意單位。(F) 四個(gè)基于硅納米線傳感器在循環(huán)應(yīng)變（εappl. = 0至10%，φappl. = 10°）下的響應(yīng)特性。(G) 應(yīng)用應(yīng)變（灰點(diǎn)；εappl. = 10%，φappl. = 0至90°）與基于45°角坐標(biāo)系的理論方程得出的應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果（紅點(diǎn)）之間的比較。(H) 在不同強(qiáng)度（藍(lán)虛線；εappl. = 2至10%）下，固定方向（紅虛線；φappl. = 0°）的應(yīng)用應(yīng)變下，理論方程確定的應(yīng)變強(qiáng)度（εTE；藍(lán)點(diǎn)）和方向角（φTE；紅點(diǎn)）。

圖3. 可生物降解、可拉伸且生物相容的基于Si-NR的OSG器件。(A) 用于心臟信號(hào)監(jiān)測(cè)的可生物降解和可拉伸應(yīng)變計(jì)的示意圖。插圖：在拉伸狀態(tài)下的瞬態(tài)OSG器件圖像。(B) 在體外（在循環(huán)拉伸應(yīng)變下；εappl. = 0至10%且φappl. = 0°）和在活體大鼠心臟表面進(jìn)行的體內(nèi)測(cè)試中，應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化。(C) 在不同φappl.值（從0至90°）下，εappl. = 10%的可生物降解OSG器件的ΔR/R0的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（藍(lán)色方塊）與理論方程的結(jié)果（藍(lán)色虛線）對(duì)比。(D) 器件在PBS溶液（pH7.2，37°C）中降解的不同時(shí)間尺度的照片。(E)Si和Mo的濃度隨浸泡在PBS溶液（pH 7.2，37°C）中的時(shí)間變化的關(guān)系。誤差條對(duì)應(yīng)于三次測(cè)量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。(F) 與OSG器件共同培養(yǎng)的活/死染色L929細(xì)胞的熒光顯微鏡圖像（上）與不含器件的對(duì)照樣本（下）。比例尺，100 μm。(G) L929細(xì)胞的相對(duì)活力隨培養(yǎng)時(shí)間（1、2和3天）的變化，與對(duì)照組進(jìn)行比較。

圖4. 應(yīng)用于人體和動(dòng)物模型的機(jī)械生理監(jiān)測(cè)。(A) 人體機(jī)械生理監(jiān)測(cè)的示意圖。(B) 用于監(jiān)測(cè)豬眼眼內(nèi)壓（IOP）的實(shí)驗(yàn)裝置。(C) 在IOP周期性變化（13至27 mmHg）下，OSG設(shè)備的代表性應(yīng)變傳感器（S1）的電阻相對(duì)變化（藍(lán)線）與商業(yè)壓力傳感器的結(jié)果（紅虛線）對(duì)比。(D) 實(shí)時(shí)測(cè)量面部表情變化的檢測(cè)，當(dāng)嘴角上升或下降時(shí)。插圖：附著在嘴角的應(yīng)變計(jì)照片。(E) 附著于頸部（左）和手腕（右）的OSG設(shè)備，用于動(dòng)脈脈壓測(cè)量的照片。比例尺，0.5 cm（插圖）。(F) 由代表性應(yīng)變傳感器（S1）收集的電阻相對(duì)變化響應(yīng)于橈動(dòng)脈（紅色）和頸動(dòng)脈（藍(lán)色）脈壓。(G) 在脈壓監(jiān)測(cè)過程中，電阻相對(duì)變化的歸一化結(jié)果（黑色）與商業(yè)傳感器的結(jié)果（綠色）進(jìn)行比較。(H) 使用Si-NR基傳感器測(cè)得的單一橈動(dòng)脈脈壓波形，包含三個(gè)峰值（P1、P2和P3）。(I) 在放松狀態(tài)下（黑色）和步行后（紅色）監(jiān)測(cè)期間的電阻相對(duì)變化。插圖顯示使用商業(yè)心率監(jiān)測(cè)器測(cè)得的結(jié)果。(J) 基于OSG設(shè)備的手指關(guān)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)模式的檢測(cè)。比例尺，3 cm。

圖5.體內(nèi)心臟機(jī)械生理監(jiān)測(cè)。(A) 傳感機(jī)制的示意圖，其中OSG設(shè)備層壓在心外膜上以檢測(cè)心臟應(yīng)變，電阻變化被捕捉并傳輸至筆記本電腦。(B) OSG設(shè)備在心臟舒張/收縮周期中隨心臟擴(kuò)張和收縮而變形的測(cè)量機(jī)制。(C) 在竇性心律監(jiān)測(cè)期間，代表性Si-NR基傳感器（S1傳感器）的電阻相對(duì)變化。在這里，S1傳感器電阻變化的峰值到峰值幅度對(duì)應(yīng)于ΔRmax/R0為0.6%，其中ΔRmax定義為傳感器在舒張末期和收縮末期的電阻差。(D) 左側(cè)：OSG設(shè)備在正常（左）和缺氧（右）條件下的電阻相對(duì)變化。右側(cè)：在放大視圖中，正常與缺氧條件的比較，其中病態(tài)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于較低的心率和搏動(dòng)幅度。(E) 心臟的區(qū)域動(dòng)脈（LAD、RCA和LCX）供血示意圖，以及由LAD結(jié)扎引起的心肌梗死區(qū)域。(F) 應(yīng)用OSG設(shè)備層壓在心臟頂端以檢測(cè)心肌梗死的示意圖。(G) 安裝在大鼠心臟頂端的OSG設(shè)備的照片。信號(hào)來自各向異性導(dǎo)電薄膜（ACF）電纜。(H) 健康狀態(tài)和心肌梗死狀態(tài)下四個(gè)Si-NR的電阻相對(duì)變化。(I) 四個(gè)Si-NR基傳感器在正常條件與心肌梗死狀態(tài)下ΔRmax/R0的比較，分別對(duì)應(yīng)于每個(gè)方向。

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文獻(xiàn)來源

Bofan Huet al.,Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics.Sci. Adv.10,eadp8804(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp8804

審核編輯 黃宇