從細胞分辨率水平到大面積器官系統（即心臟、皮膚等）的廣泛空間范圍內，能夠對軟組織生物力學進行實時、在體測量的先進技術，在生物醫學研究和臨床治療中正變得日益重要。其中，面臨的關鍵挑戰之一，是開發可植入/可穿戴的機電系統，能夠對表面形態變化的活體組織進行力學特性的連續監測，以追蹤與病理生理條件相關的動態生物力學，從而實現相關診斷。
可用于生理評估的人機界面新興系統提供了一種強大的潛在選擇，例如測量心電圖和表面肌電圖信號。這些技術通常涉及具有有限信噪比（SNR）和可擴展性的大面積電極。近期有研究使用柔性應變計，通過測量微小的生物形變，構建了能夠表征軟組織生物力學的新方法。盡管前景廣闊，但受應變計器件間差異的影響，這些方法在測量能力方面仍存在持續挑戰。
金屬應變計等替代方案提供了一些優勢，包括高可靠性、低彎曲剛度，以及動態條件下的快速響應能力，但其應變系數有限。相比之下，成熟的無機半導體應變計可以提供更卓越的器件性能，其固有應變系數相比金屬應變計高出幾個數量級。例如，基于單晶硅的應變計憑借卓越的特性可設計用于心臟、皮膚及其它器官的連續應變監測。然而，在許多情況下，這些方法僅能在特定方向上進行傳感，缺乏多方向的感知能力，因此限制了其在動態監測生物力學方面的應用，例如識別/定位心臟中不同方向/位置產生的復雜心臟疾病。
據麥姆斯咨詢介紹，復旦大學、北京大學和大連理工大學等機構組建的聯合研究團隊近期提出了一種能夠全向跟蹤應變分布的微型應變計，可在生物組織表面穩定運行，并進行高精度測量。該平臺集成了四個沿不同方向排列的超薄單晶硅納米帶（Si-NR），以章魚觸手形狀設計成可拉伸傳感器，使其能夠與目標軟組織緊密接觸，實現對方向角敏感響應的應變監測。相關研究成果已經以“Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics”為題發表于近期的SCIENCE ADVANCES期刊。
研究人員將該器件稱為全向應變計（OSG），作為一種具有良好生物相容性的可穿戴/可植入平臺，能夠無縫貼附在皮膚或心臟等動態器官上，用于機械生理學監測。整個系統由四個獨立的Si-NR傳感器組成，呈章魚觸手狀分布，均勻排列在組織表面的全向尺度上。其中，每個傳感器的長度為3毫米，寬度為100微米，以45°間隔排布在不同的方向（標記為S1至S4）上。
其制造過程包括，首先在絕緣體上硅（SOI；SOITEC）晶圓上對p型器件Si進行固態硼摻雜（960℃，15分鐘），摻雜濃度約為102? atoms/cm3，然后轉移到臨時玻璃基板上的聚酰亞胺（PI）薄膜上。通過一系列光刻圖案化、蝕刻以及與200納米厚金線連接的集成，并在上下嵌入1.5微米厚的PI層，形成可拉伸的蛇形電阻應變計。
基于超薄Si-NR，用于軟組織生物力學監測的全向應變計
通過水溶性膠帶（WST）進行層壓的方法，在從皮膚上移除全向應變計時，可能會因不可逆的損傷而導致器件失效和性能下降。為了避免這些問題，研究人員通過引入一層軟彈性體聚二甲基硅氧烷（PDMS）（厚度為30 μm，彈性模量為500 kPa），來提高全向應變計的可重復使用性。
具有生物相容性、可穩定運行、可生物降解
電子器件的可生物降解是指它們能夠在生物體內部，如心血管系統、神經系統等，通過自然代謝過程安全分解。這種特性消除了后續二次手術以移除植入器件的需求。下圖展示了采用可生物降解材料的全向應變計示意圖，該器件貼附在心外膜上，用于全方位監測心臟機械生理信號。
基于超薄Si-NR，可生物降解、可拉伸且生物相容的全向應變計
實時監測人類及動物模型機械生理信號的可穿戴應用
具有超薄結構的全向應變計可以作為監測機械生理信號的可穿戴電子設備，以非侵入式方式測量眼球眼壓、面部表情、頸動脈和橈動脈脈搏等。在這些應用中，全向應變計貼附在軟組織表面進行連續測量，以檢測生理活動。這些活動包括各向同性（例如眼壓和頸動脈及橈動脈脈搏）或各向異性（例如面部運動）分布的機械應變，所有這些都可以在動態條件下通過Si-NR傳感器進行全向捕捉。
實時監測人體及動物模型機械生理信號的可穿戴應用
用于可植入電子器件，監測心臟異常輔助疾病診斷
與心臟相關的疾病，例如心律失常，對人類健康構成顯著風險。因此，在不影響其正常功能的情況下，以全向尺度跨越組織表面，對心臟表面力學進行直接、連續監測的能力特別值得關注。該研究開發的全向應變計能夠提供優異的延展性，從而在心臟組織持續動態形變下，與組織表面保持順應性接觸，為穩定的測量界面提供基礎。由此，研究人員報道了使用全向應變計監測缺氧和心肌梗死（MI）這兩種典型心臟疾病的力學特性。
體內心臟機械生理監測
綜上，研究人員介紹了一種基于超薄單晶硅納米帶（Si-NR）的全向應變計，能夠在寬范圍內進行精確的動態應變檢測，且具有優異的穩定性，可作為一種具有生物相容性的可穿戴/可植入機械生理監測平臺。章魚觸手狀Si-NR對應變表現出方向特異性響應。體外測試顯示，其應變方向相對偏差為1°，最小應變檢測靈敏度為0.1%。研究證明，該全向應變計的高應變靈敏度使傳感器能夠實時監測機械生理信號，例如眼壓波動和脈搏。這項研究對于連續監測復雜組織表面的生物力學特性，具有重要臨床意義。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8804
