隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,精確地了解人體器官(如心臟、皮膚等)的生物力學(xué)特性,對(duì)疾病的診斷、治療效果的評(píng)估以及術(shù)后監(jiān)控等方面都至關(guān)重要。
傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片雖然應(yīng)用廣泛,但其靈敏度通常較低,不能精確捕捉到軟組織表面微小的應(yīng)變變化,在生物力學(xué)監(jiān)測(cè)中有較大局限性。
此外,多數(shù)應(yīng)變片通常只能在單一方向上檢測(cè)應(yīng)變,這限制了其在多方向動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用。例如,心臟等器官在跳動(dòng)時(shí)不僅存在復(fù)雜的形變,還涉及到不同方向的應(yīng)變變化,這使得傳統(tǒng)的應(yīng)變片難以滿足監(jiān)測(cè)需求。
基于此,復(fù)旦大學(xué)光電研究院宋恩名課題組意識(shí)到需要開發(fā)一種新型的可植入/可穿戴的生物兼容性應(yīng)變貼片,以便既能提升靈敏度、又能在多方向乃至全軸向上實(shí)現(xiàn)高精度的應(yīng)變檢測(cè),最終面向腦心血管疾病監(jiān)測(cè)與病理定向。
圖 | 宋恩名(來(lái)源:DeepTech)
超薄單晶硅材料因其高靈敏度和優(yōu)異的機(jī)械性能成為了理想的選擇。因此這項(xiàng)研究旨在解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:
提升生物力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備的靈敏度,以便能夠檢測(cè)到更加微小的應(yīng)變變化;
?提供多方向的應(yīng)變檢測(cè)能力,能夠在動(dòng)態(tài)的軟組織上進(jìn)行精確的應(yīng)變監(jiān)測(cè),尤其是對(duì)腦心血管疾病如心肌梗死病理進(jìn)行定向與定位;
解決傳統(tǒng)應(yīng)變片在生物相容性和動(dòng)態(tài)操作穩(wěn)定性方面的不足,提出一種可植入、穩(wěn)定運(yùn)行且可降解的方案,從而避免患者術(shù)后二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)多學(xué)科交叉與各方的協(xié)同合作,宋恩名與來(lái)自材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究者們通力合作,開發(fā)出一種多方向應(yīng)變傳感器,用于監(jiān)測(cè)軟組織生物力學(xué)。
借此展示了一種可植入和可穿戴的應(yīng)變片設(shè)備,其結(jié)合了多個(gè)超薄單晶硅傳感器,能夠用于動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)生物組織表面的多方向應(yīng)變分布。
器件滿足了生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療中的重要需求,展示了其廣泛的應(yīng)用前景,能用于從心臟脈搏監(jiān)測(cè)到面部表情識(shí)別,再到眼內(nèi)壓評(píng)估等多種場(chǎng)景。
特別令人印象深刻的是,該設(shè)備能夠在體內(nèi)評(píng)估心臟疾病并準(zhǔn)確定位病理方向,具有集成到全降解植入物中的潛力。
(來(lái)源:Science Advances)
這一成果主要基于超薄單晶硅納米薄膜的全向應(yīng)變傳感器,在未來(lái)的潛在應(yīng)用包括:
1、醫(yī)療領(lǐng)域的軟組織生物力學(xué)監(jiān)測(cè):可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟、眼角膜等組織的動(dòng)態(tài)力學(xué)變化,幫助診斷和跟蹤心臟疾?。ㄈ缧募」K?、心律失常)及青光眼等病癥。
2、可穿戴設(shè)備:能夠集成到智能可穿戴設(shè)備中,用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和健康狀況,如心跳、血壓等,提供便捷的日常健康管理。
3、植入式生物電子設(shè)備:由于其生物兼容性和可降解性,傳感器可作為長(zhǎng)期植入裝置,避免二次手術(shù),應(yīng)用于術(shù)后恢復(fù)監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)防。
4、面部表情識(shí)別和人機(jī)交互:該設(shè)備能夠檢測(cè)面部肌肉的微小運(yùn)動(dòng),可應(yīng)用于表情識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。
日前,相關(guān)論文以《基于超薄晶體硅的全向應(yīng)變計(jì),用于可植入/可穿戴軟組織生物力學(xué)的表征》(Ultrathin crystalline silicon–based omnidirectional strain gauges for implantable/wearable characterization of soft tissue biomechanics)為題發(fā)在 Science Advances[1]。
Bofan Hu 是第一作者,宋恩名擔(dān)任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文(來(lái)源:Science Advances)
下一步課題組計(jì)劃將應(yīng)變傳感器陣列化,以覆蓋更大范圍的軟組織,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)高精度的應(yīng)變分布檢測(cè)。