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內容概覽

1.現有技術缺點：

靈敏度有限：現有的應變計方法通常只能在準靜態條件下進行感測，且靈敏度不足，無法精確地監測生物體表面在動態和多方向上的應變。

方向性局限：很多現有技術僅優化針對特定方向的感知，缺乏在多方向上的應變監測能力，限制了其在復雜生物力學監測中的應用，尤其是在如心臟、皮膚等組織的動態監測中。

2.文章亮點：

多方向應變監測：作者提出了一種新型可植入/可穿戴應變計，集成了多個沿不同方向排列的超薄單晶硅傳感器，能夠動態監測多方向的應變，并提供更精準的生物力學信息。

高靈敏度與精確性：該應變計具備高達0.1%的靈敏度，能夠實時監測復雜的生物信號（如眼壓波動和脈搏）。在體外實驗中，其方向的相對偏差僅為1°，表現出優異的方向特異性響應。

臨床應用潛力：該設備可在生物體內實現動態監測，如用于心臟疾病（例如心肌梗死和心律失常）的診斷，并能夠準確定位病變部位的病理方向。

生物降解性：該應變計設計為可降解的生物材料，使其在體內使用時能夠完全降解，具有更好的生物相容性，適合長時間植入使用。

3.應用場景：

心臟疾病監測：該應變計能夠用于實時監測心臟表面應變，幫助診斷和定位心臟病變，如心肌梗死和心律失常等。

眼壓監測：能夠動態監測眼內壓變化，應用于青光眼等眼科疾病的診斷和治療監控。

生物力學研究：該技術可用于廣泛的生物醫學研究，監測軟組織和器官的動態力學特性。

植入式醫療設備：作為可降解的植入設備，可用于長期的生物力學監測，提供個性化的疾病診斷數據。

4.總結：

作者提出的超薄單晶硅應變計（OSG傳感器）突破了現有技術的局限，具備多方向、超高靈敏度的應變監測能力，能夠在復雜動態生物力學監測中提供精確的診斷信息。該傳感器不僅可作為可穿戴設備進行日常監測，還可以作為植入式設備用于實時、長期的生物力學監測。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用潛力，尤其在心臟疾病、眼科疾病和軟組織力學研究方面。

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：復旦大學宋恩名青年研究員，梅永豐教授，大連理工大學李銳教授和北京大學韓夢迪助理教授

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圖文簡介

圖1. 基于超薄硅納米線（Si-NR）的有機應變傳感器（OSG）設備用于軟組織生物力學監測。(A) 可穿戴及植入式OSG設備在生物組織上安裝以機械監測生理信號的示意圖，以心臟脈搏為例（右側）。頂部中間插圖：傳感區域包含四個基于Si-NR的傳感器，按全方向標尺對齊（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) 在相同應變條件下，代表性Si-NR傳感器（長度為1和3 mm）與金屬傳感器（長度為3 mm）相比的相對電阻變化。(D) 從50個不同OSG設備收集的各種Si-NR傳感器的電阻（藍點）和增益因子（GF，紅點）統計數據，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械變形模式下的光學圖像，包括25 mm半徑的彎曲、10%延伸的拉伸和160°角度的扭轉。插圖：每種對應狀態下應變計的應變分布有限元分析（FEA）結果。比例尺，1 cm。

圖2. 基于硅納米線（Si-NR）的有機應變傳感器的傳感特性。(A) 硅納米線基應變傳感器的傳感區域放大光學圖像。(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，最大主應變分布的有限元分析（FEA）模擬結果。(C) S1傳感器的相對電阻變化（藍線）與循環拉伸應變（紅虛線）對應關系（應用應變εappl. = 0至15%，應用角φappl. = 22.5°，沿S1傳感器方向）。(D) S1傳感器在階梯拉伸應變下的相對電阻變化（應用應變εappl. = 0至15%，以5%間隔和0至0.3%，以0.1%間隔，φappl. = 22.5°）。(E) S1傳感器實驗中相對電阻變化的結果（藍點）、理論方程（藍虛線）和有限元分析（紅點）在施加固定強度應變（εappl. = 10%）下，隨順時針方向角φappl.變化的硅歸一化應變的結果。插圖展示了εappl.的示意圖。a.u.，任意單位。(F) 四個基于硅納米線傳感器在循環應變（εappl. = 0至10%，φappl. = 10°）下的響應特性。(G) 應用應變（灰點；εappl. = 10%，φappl. = 0至90°）與基于45°角坐標系的理論方程得出的應變檢測結果（紅點）之間的比較。(H) 在不同強度（藍虛線；εappl. = 2至10%）下，固定方向（紅虛線；φappl. = 0°）的應用應變下，理論方程確定的應變強度（εTE；藍點）和方向角（φTE；紅點）。

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) 用于心臟信號監測的可生物降解和可拉伸應變計的示意圖。插圖：在拉伸狀態下的瞬態OSG器件圖像。(B) 在體外（在循環拉伸應變下；εappl. = 0至10%且φappl. = 0°）和在活體大鼠心臟表面進行的體內測試中，應變計電阻的相對變化。(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的實驗結果（藍色方塊）與理論方程的結果（藍色虛線）對比。(D) 器件在PBS溶液（pH7.2，37°C）中降解的不同時間尺度的照片。(E)Si和Mo的濃度隨浸泡在PBS溶液（pH 7.2，37°C）中的時間變化的關系。誤差條對應于三次測量的計算標準差(SD)。(F) 與OSG器件共同培養的活/死染色L929細胞的熒光顯微鏡圖像（上）與不含器件的對照樣本（下）。比例尺，100 μm。(G) L929細胞的相對活力隨培養時間（1、2和3天）的變化，與對照組進行比較。

圖4. 應用于人體和動物模型的機械生理監測。(A) 人體機械生理監測的示意圖。(B) 用于監測豬眼眼內壓（IOP）的實驗裝置。(C) 在IOP周期性變化（13至27 mmHg）下，OSG設備的代表性應變傳感器（S1）的電阻相對變化（藍線）與商業壓力傳感器的結果（紅虛線）對比。(D) 實時測量面部表情變化的檢測，當嘴角上升或下降時。插圖：附著在嘴角的應變計照片。(E) 附著于頸部（左）和手腕（右）的OSG設備，用于動脈脈壓測量的照片。比例尺，0.5 cm（插圖）。(F) 由代表性應變傳感器（S1）收集的電阻相對變化響應于橈動脈（紅色）和頸動脈（藍色）脈壓。(G) 在脈壓監測過程中，電阻相對變化的歸一化結果（黑色）與商業傳感器的結果（綠色）進行比較。(H) 使用Si-NR基傳感器測得的單一橈動脈脈壓波形，包含三個峰值（P1、P2和P3）。(I) 在放松狀態下（黑色）和步行后（紅色）監測期間的電阻相對變化。插圖顯示使用商業心率監測器測得的結果。(J) 基于OSG設備的手指關節不同運動模式的檢測。比例尺，3 cm。

圖5.體內心臟機械生理監測。(A) 傳感機制的示意圖，其中OSG設備層壓在心外膜上以檢測心臟應變，電阻變化被捕捉并傳輸至筆記本電腦。(B) OSG設備在心臟舒張/收縮周期中隨心臟擴張和收縮而變形的測量機制。(C) 在竇性心律監測期間，代表性Si-NR基傳感器（S1傳感器）的電阻相對變化。在這里，S1傳感器電阻變化的峰值到峰值幅度對應于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：OSG設備在正常（左）和缺氧（右）條件下的電阻相對變化。右側：在放大視圖中，正常與缺氧條件的比較，其中病態狀態對應于較低的心率和搏動幅度。(E) 心臟的區域動脈（LAD、RCA和LCX）供血示意圖，以及由LAD結扎引起的心肌梗死區域。(F) 應用OSG設備層壓在心臟頂端以檢測心肌梗死的示意圖。(G) 安裝在大鼠心臟頂端的OSG設備的照片。信號來自各向異性導電薄膜（ACF）電纜。(H) 健康狀態和心肌梗死狀態下四個Si-NR的電阻相對變化。(I) 四個Si-NR基傳感器在正常條件與心肌梗死狀態下ΔRmax/R0的比較，分別對應于每個方向。

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文獻來源

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