复旦大学，大连理工大学和北京大学：研究一种超薄全轴向应变传感器

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内容概览

1.现有技术缺点：

灵敏度有限：现有的应变计方法通常只能在准静态条件下进行感测，且灵敏度不足，无法精确地监测生物体表面在动态和多方向上的应变。

方向性局限：很多现有技术仅优化针对特定方向的感知，缺乏在多方向上的应变监测能力，限制了其在复杂生物力学监测中的应用，尤其是在如心脏、皮肤等组织的动态监测中。

2.文章亮点：

多方向应变监测：作者提出了一种新型可植入/可穿戴应变计，集成了多个沿不同方向排列的超薄单晶硅传感器，能够动态监测多方向的应变，并提供更精准的生物力学信息。

高灵敏度与精确性：该应变计具备高达0.1%的灵敏度，能够实时监测复杂的生物信号（如眼压波动和脉搏）。在体外实验中，其方向的相对偏差仅为1°，表现出优异的方向特异性响应。

临床应用潜力：该设备可在生物体内实现动态监测，如用于心脏疾病（例如心肌梗死和心律失常）的诊断，并能够准确定位病变部位的病理方向。

生物降解性：该应变计设计为可降解的生物材料，使其在体内使用时能够完全降解，具有更好的生物相容性，适合长时间植入使用。

3.应用场景：

心脏疾病监测：该应变计能够用于实时监测心脏表面应变，帮助诊断和定位心脏病变，如心肌梗死和心律失常等。

眼压监测：能够动态监测眼内压变化，应用于青光眼等眼科疾病的诊断和治疗监控。

生物力学研究：该技术可用于广泛的生物医学研究，监测软组织和器官的动态力学特性。

植入式医疗设备：作为可降解的植入设备，可用于长期的生物力学监测，提供个性化的疾病诊断数据。

4.总结：

作者提出的超薄单晶硅应变计（OSG传感器）突破了现有技术的局限，具备多方向、超高灵敏度的应变监测能力，能够在复杂动态生物力学监测中提供精确的诊断信息。该传感器不仅可作为可穿戴设备进行日常监测，还可以作为植入式设备用于实时、长期的生物力学监测。其生物相容性和可降解性使其在临床治疗中具有广泛的应用潜力，尤其在心脏疾病、眼科疾病和软组织力学研究方面。

文章名称：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

通讯作者：复旦大学宋恩名青年研究员，梅永丰教授，大连理工大学李锐教授和北京大学韩梦迪助理教授

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图文简介

图1. 基于超薄硅纳米线（Si-NR）的有机应变传感器（OSG）设备用于软组织生物力学监测。(A) 可穿戴及植入式OSG设备在生物组织上安装以机械监测生理信号的示意图，以心脏脉搏为例（右侧）。顶部中间插图：传感区域包含四个基于Si-NR的传感器，按全方向标尺对齐（从S1到S4），角度间隔为45°。底部中间插图：OSG传感器在可穿戴传感器贴片（WST）上的图像。(B) 转移的OSG传感器在手腕上的照片，(i) 在溶解WST之前和(ii) 之后。(C) 在相同应变条件下，代表性Si-NR传感器（长度为1和3 mm）与金属传感器（长度为3 mm）相比的相对电阻变化。(D) 从50个不同OSG设备收集的各种Si-NR传感器的电阻（蓝点）和增益因子（GF，红点）统计数据，平均值分别为1609.5 ± 255.5欧姆和0.178 ± 0.03。(E) OSG传感器在三种不同机械变形模式下的光学图像，包括25 mm半径的弯曲、10%延伸的拉伸和160°角度的扭转。插图：每种对应状态下应变计的应变分布有限元分析（FEA）结果。比例尺，1 cm。

图2. 基于硅纳米线（Si-NR）的有机应变传感器的传感特性。(A) 硅纳米线基应变传感器的传感区域放大光学图像。(B) 在人工皮肤基底上，硅纳米线在0%、5%和15%沿y轴拉伸的情况下，最大主应变分布的有限元分析（FEA）模拟结果。(C) S1传感器的相对电阻变化（蓝线）与循环拉伸应变（红虚线）对应关系（应用应变εappl. = 0至15%，应用角φappl. = 22.5°，沿S1传感器方向）。(D) S1传感器在阶梯拉伸应变下的相对电阻变化（应用应变εappl. = 0至15%，以5%间隔和0至0.3%，以0.1%间隔，φappl. = 22.5°）。(E) S1传感器实验中相对电阻变化的结果（蓝点）、理论方程（蓝虚线）和有限元分析（红点）在施加固定强度应变（εappl. = 10%）下，随顺时针方向角φappl.变化的硅归一化应变的结果。插图展示了εappl.的示意图。a.u.，任意单位。(F) 四个基于硅纳米线传感器在循环应变（εappl. = 0至10%，φappl. = 10°）下的响应特性。(G) 应用应变（灰点；εappl. = 10%，φappl. = 0至90°）与基于45°角坐标系的理论方程得出的应变检测结果（红点）之间的比较。(H) 在不同强度（蓝虚线；εappl. = 2至10%）下，固定方向（红虚线；φappl. = 0°）的应用应变下，理论方程确定的应变强度（εTE；蓝点）和方向角（φTE；红点）。

图3. 可生物降解、可拉伸且生物相容的基于Si-NR的OSG器件。(A) 用于心脏信号监测的可生物降解和可拉伸应变计的示意图。插图：在拉伸状态下的瞬态OSG器件图像。(B) 在体外（在循环拉伸应变下；εappl. = 0至10%且φappl. = 0°）和在活体大鼠心脏表面进行的体内测试中，应变计电阻的相对变化。(C) 在不同φappl.值（从0至90°）下，εappl. = 10%的可生物降解OSG器件的ΔR/R0的实验结果（蓝色方块）与理论方程的结果（蓝色虚线）对比。(D) 器件在PBS溶液（pH7.2，37°C）中降解的不同时间尺度的照片。(E)Si和Mo的浓度随浸泡在PBS溶液（pH 7.2，37°C）中的时间变化的关系。误差条对应于三次测量的计算标准差(SD)。(F) 与OSG器件共同培养的活/死染色L929细胞的荧光显微镜图像（上）与不含器件的对照样本（下）。比例尺，100 μm。(G) L929细胞的相对活力随培养时间（1、2和3天）的变化，与对照组进行比较。

图4. 应用于人体和动物模型的机械生理监测。(A) 人体机械生理监测的示意图。(B) 用于监测猪眼眼内压（IOP）的实验装置。(C) 在IOP周期性变化（13至27 mmHg）下，OSG设备的代表性应变传感器（S1）的电阻相对变化（蓝线）与商业压力传感器的结果（红虚线）对比。(D) 实时测量面部表情变化的检测，当嘴角上升或下降时。插图：附着在嘴角的应变计照片。(E) 附着于颈部（左）和手腕（右）的OSG设备，用于动脉脉压测量的照片。比例尺，0.5 cm（插图）。(F) 由代表性应变传感器（S1）收集的电阻相对变化响应于桡动脉（红色）和颈动脉（蓝色）脉压。(G) 在脉压监测过程中，电阻相对变化的归一化结果（黑色）与商业传感器的结果（绿色）进行比较。(H) 使用Si-NR基传感器测得的单一桡动脉脉压波形，包含三个峰值（P1、P2和P3）。(I) 在放松状态下（黑色）和步行后（红色）监测期间的电阻相对变化。插图显示使用商业心率监测器测得的结果。(J) 基于OSG设备的手指关节不同运动模式的检测。比例尺，3 cm。

图5.体内心脏机械生理监测。(A) 传感机制的示意图，其中OSG设备层压在心外膜上以检测心脏应变，电阻变化被捕捉并传输至笔记本电脑。(B) OSG设备在心脏舒张/收缩周期中随心脏扩张和收缩而变形的测量机制。(C) 在窦性心律监测期间，代表性Si-NR基传感器（S1传感器）的电阻相对变化。在这里，S1传感器电阻变化的峰值到峰值幅度对应于ΔRmax/R0为0.6%，其中ΔRmax定义为传感器在舒张末期和收缩末期的电阻差。(D) 左侧：OSG设备在正常（左）和缺氧（右）条件下的电阻相对变化。右侧：在放大视图中，正常与缺氧条件的比较，其中病态状态对应于较低的心率和搏动幅度。(E) 心脏的区域动脉（LAD、RCA和LCX）供血示意图，以及由LAD结扎引起的心肌梗死区域。(F) 应用OSG设备层压在心脏顶端以检测心肌梗死的示意图。(G) 安装在大鼠心脏顶端的OSG设备的照片。信号来自各向异性导电薄膜（ACF）电缆。(H) 健康状态和心肌梗死状态下四个Si-NR的电阻相对变化。(I) 四个Si-NR基传感器在正常条件与心肌梗死状态下ΔRmax/R0的比较，分别对应于每个方向。

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文献来源

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

审核编辑 黄宇