新型硅纳米传感器助力实时生理监测!

【研究背景】

生物力学监测技术是指通过各种设备实时测量和分析生物组织的力学特性，因其在医学诊断、治疗监测和生物材料研究等领域的重要应用而备受关注。与传统的生物传感器材料相比，基于超薄单晶硅纳米带（Si-NR）的设备具有高灵敏度、良好的生物相容性和适应性等优点，能够在动态环境中进行精确的生物力学测量。然而，这类设备在可穿戴性、耐用性及与生物组织的接触适应性等方面仍存在一定挑战。

为了克服上述问题，复旦大学纳米与薄膜实验室宋恩名、大连理工大学李锐，北京大学Mengdi Han，复旦大学材料科学系梅永丰课题组携手在软组织生物力学监测领域取得了新进展。该团队设计了一种新型的基于超薄Si-NR的全方向应变传感器（OSG设备），能够在复杂的生物环境中实现高精度的应变分布监测。通过对设备材料的优化与结构设计，研究人员利用该设备显著提高了应变传感器的性能，成功获取了心脏、皮肤等组织在不同生理状态下的动态生物力学数据。

该设备的核心优势在于其超薄设计和生物降解特性，使其能够在体内环境中稳定工作，并与软组织紧密接触。研究表明，这种新型传感器在监测生物体的机械生理状态（如心律失常和心肌梗死）时，展现出了优越的响应能力和高灵敏度。这一研究成果为未来的临床应用提供了新的技术路径，尤其在患者术后监测及病理诊断方面，具有广阔的应用前景。

【表征解读】

本文通过电化学工作站（CHI660e）和有限元分析（FEA）等仪器和表征手段，发现了基于超薄单晶硅纳米棒（Si-NR）的光学应变传感器（OSG）在动态应变检测中表现出的优异性能，从而揭示了其在生物相容性机械生理监测中的应用潜力。具体而言，本文针对应变灵敏度与方向特异性响应的现象，通过微观机理表征，得到了应变传感器在不同方向和强度下的响应特性，进而挖掘了其在实时监测机械生理信号（如脉搏和眼内压波动）中的重要性。

在此基础上，通过电阻变化测量和数字信号处理技术，研究人员不仅确定了OSG设备在施加应变（εappl.）下的灵敏度，还揭示了该传感器的最小应变检测灵敏度为0.1%。这些发现为OSG设备在生物医用传感器领域的应用提供了新的视角，并强调了其在监测心脏异常方面的有效性。

此外，采用荧光显微镜和细胞毒性评估等表征手段，研究团队深入分析了OSG设备的生物相容性，证实了该设备在与L929细胞共同培养过程中表现出的良好细胞活力。这一结果为OSG设备的实际应用提供了重要的生物安全性数据，进一步增强了其作为植入式传感器的可行性。

总之，经过多重表征手段的综合分析，本文深入探讨了Si-NR基OSG设备在动态应变检测中的各项性能指标，并成功制备了一种新型的生物相容性机械生理监测平台。这些研究结果不仅推动了传感器技术在医学领域的进步，而且为未来可穿戴设备和植入式传感器的开发提供了新的技术基础。

【图文速递】

图 1. 基于超薄 Si-NR 的 OSG 设备用于软组织生物力学监测。

图 2. Si-NR 基 OSG 设备的传感特性。

图 3. 生物降解、可拉伸且生物相容的 Si-NR 基 OSG 设备。

图 4. 人体和动物模型的机械生理监测可穿戴应用。

图 5. 体内心脏机械生理监测。

【科学启迪】

本文的研究不仅揭示了超薄单晶硅纳米棒（Si-NR）作为光学应变传感器的优越性能，还为未来的生物医学传感器设计提供了重要启示。首先，通过电化学工作站和有限元分析等多种表征手段，深入理解了Si-NR在不同应变条件下的响应特性，这为优化传感器性能提供了理论基础。其次，研究结果表明，合理设计和微观结构调控能够显著提高材料的灵敏度和响应速度，这为新型传感器材料的开发指明了方向。

此外，本文强调了跨学科方法的重要性，结合材料科学、电子工程和生物医学等领域的知识，可以更好地应对复杂的传感需求。最后，本研究为未来的临床监测和健康管理提供了新的技术路径，展现了纳米材料在生物传感器中的广阔应用前景。通过本研究的启示，科研人员可以在纳米材料的制备和应用中，探索更多的创新思路，为生物医学领域的进步贡献力量。

原文详情：Bofan Hu et 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