基于超薄单晶硅的全向应变计，实现可植入和可穿戴生物力学表征平台
2025-09-27 15:14:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

从细胞分辨率水平到大面积器官系统（即心脏、皮肤等）的广泛空间范围内，能够对软组织生物力学进行实时、在体测量的先进技术，在生物医学研究和临床治疗中正变得日益重要。其中，面临的关键挑战之一，是开发可植入/可穿戴的机电系统，能够对表面形态变化的活体组织进行力学特性的连续监测，以追踪与病理生理条件相关的动态生物力学，从而实现相关诊断。

可用于生理评估的人机界面新兴系统提供了一种强大的潜在选择，例如测量心电图和表面肌电图信号。这些技术通常涉及具有有限信噪比（SNR）和可扩展性的大面积电极。近期有研究使用柔性应变计，通过测量微小的生物形变，构建了能够表征软组织生物力学的新方法。尽管前景广阔，但受应变计器件间差异的影响，这些方法在测量能力方面仍存在持续挑战。

金属应变计等替代方案提供了一些优势，包括高可靠性、低弯曲刚度，以及动态条件下的快速响应能力，但其应变系数有限。相比之下，成熟的无机半导体应变计可以提供更卓越的器件性能，其固有应变系数相比金属应变计高出几个数量级。例如，基于单晶硅的应变计凭借卓越的特性可设计用于心脏、皮肤及其它器官的连续应变监测。然而，在许多情况下，这些方法仅能在特定方向上进行传感，缺乏多方向的感知能力，因此限制了其在动态监测生物力学方面的应用，例如识别/定位心脏中不同方向/位置产生的复杂心脏疾病。

据麦姆斯咨询介绍，复旦大学、北京大学和大连理工大学等机构组建的联合研究团队近期提出了一种能够全向跟踪应变分布的微型应变计，可在生物组织表面稳定运行，并进行高精度测量。该平台集成了四个沿不同方向排列的超薄单晶硅纳米带（Si-NR），以章鱼触手形状设计成可拉伸传感器，使其能够与目标软组织紧密接触，实现对方向角敏感响应的应变监测。相关研究成果已经以“Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics”为题发表于近期的SCIENCE ADVANCES期刊。

研究人员将该器件称为全向应变计（OSG），作为一种具有良好生物相容性的可穿戴/可植入平台，能够无缝贴附在皮肤或心脏等动态器官上，用于机械生理学监测。整个系统由四个独立的Si-NR传感器组成，呈章鱼触手状分布，均匀排列在组织表面的全向尺度上。其中，每个传感器的长度为3毫米，宽度为100微米，以45°间隔排布在不同的方向（标记为S1至S4）上。

其制造过程包括，首先在绝缘体上硅（SOI；SOITEC）晶圆上对p型器件Si进行固态硼掺杂（960℃，15分钟），掺杂浓度约为10²⁰ atoms/cm³，然后转移到临时玻璃基板上的聚酰亚胺（PI）薄膜上。通过一系列光刻图案化、蚀刻以及与200纳米厚金线连接的集成，并在上下嵌入1.5微米厚的PI层，形成可拉伸的蛇形电阻应变计。

基于超薄Si-NR，用于软组织生物力学监测的全向应变计

通过水溶性胶带（WST）进行层压的方法，在从皮肤上移除全向应变计时，可能会因不可逆的损伤而导致器件失效和性能下降。为了避免这些问题，研究人员通过引入一层软弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS）（厚度为30 μm，弹性模量为500 kPa），来提高全向应变计的可重复使用性。

具有生物相容性、可稳定运行、可生物降解

电子器件的可生物降解是指它们能够在生物体内部，如心血管系统、神经系统等，通过自然代谢过程安全分解。这种特性消除了后续二次手术以移除植入器件的需求。下图展示了采用可生物降解材料的全向应变计示意图，该器件贴附在心外膜上，用于全方位监测心脏机械生理信号。

基于超薄Si-NR，可生物降解、可拉伸且生物相容的全向应变计

实时监测人类及动物模型机械生理信号的可穿戴应用

具有超薄结构的全向应变计可以作为监测机械生理信号的可穿戴电子设备，以非侵入式方式测量眼球眼压、面部表情、颈动脉和桡动脉脉搏等。在这些应用中，全向应变计贴附在软组织表面进行连续测量，以检测生理活动。这些活动包括各向同性（例如眼压和颈动脉及桡动脉脉搏）或各向异性（例如面部运动）分布的机械应变，所有这些都可以在动态条件下通过Si-NR传感器进行全向捕捉。

实时监测人体及动物模型机械生理信号的可穿戴应用

用于可植入电子器件，监测心脏异常辅助疾病诊断

与心脏相关的疾病，例如心律失常，对人类健康构成显著风险。因此，在不影响其正常功能的情况下，以全向尺度跨越组织表面，对心脏表面力学进行直接、连续监测的能力特别值得关注。该研究开发的全向应变计能够提供优异的延展性，从而在心脏组织持续动态形变下，与组织表面保持顺应性接触，为稳定的测量界面提供基础。由此，研究人员报道了使用全向应变计监测缺氧和心肌梗死（MI）这两种典型心脏疾病的力学特性。

体内心脏机械生理监测

综上，研究人员介绍了一种基于超薄单晶硅纳米带（Si-NR）的全向应变计，能够在宽范围内进行精确的动态应变检测，且具有优异的稳定性，可作为一种具有生物相容性的可穿戴/可植入机械生理监测平台。章鱼触手状Si-NR对应变表现出方向特异性响应。体外测试显示，其应变方向相对偏差为1°，最小应变检测灵敏度为0.1%。研究证明，该全向应变计的高应变灵敏度使传感器能够实时监测机械生理信号，例如眼压波动和脉搏。这项研究对于连续监测复杂组织表面的生物力学特性，具有重要临床意义。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8804

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