复旦团队研发可检测生物组织力学性能的微系统技术，助力医学研究和临床诊断

人类在宇宙中是渺小的，但是相较于微生物又是庞然大物。那么，能否控制这些微小的物体为人类服务呢？早在 1966 年，美国电影《神奇旅程》就描述了几名医生被缩小到微米尺寸并注射进一名患者体内，以求在体内直接为其进行血管手术，呈现了一个借由微生物视角观察人体内部结构的故事。

如果说 50 多年前类似的微缩技术还只能出现在科幻电影当中，那么随着现代生物医学技术研究的不断深入，科学家已经能通过各种新兴手段和技术来达到相似的目的。例如，通过各种微系统技术在微纳米级的空间尺度和分辨率水平上量化生物体乃至人体软组织的各种力学特性。

这是因为许多生物组织的力学特性都具有显著的应用价值，在健康医疗方向有着重要的参考意义。以杨氏模量为例，它不但可以作为皮肤硬化等疾病、乳腺癌和肝细胞癌相关的深部肿瘤等疾病临床评估的基础，还可以通过监测其随生物组织细胞生长、老化、再生和伤口愈合等不同阶段的时间依赖性变化，来对患者的身体组织情况进行及时的反馈与诊断。

▲图丨宋恩名入选“35 岁以下科技创新 35 人”亚太区榜单（来源：DeepTech）

目前，已由复旦大学宋恩名研究员与其团队已研发出一种具有此类功能的生物深层组织的杨氏模量探测器。该器件兼具微型、柔性可穿戴、高精度实时测量、易操作等特点，既可用于局部表皮的力学参数检测，也可用于深层癌变组织的定位检测。

除此之外，宋恩名还致力于解决脑机接口的新挑战，开创性地提出了基于万级通道柔性脑机接口前端放大微电极阵列的制备方法。设计的全脑维度脑机接口包含多达 32000 个互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）晶体管阵列，可用于持续监测脑电信号与大规模脑电信号成像传感，对相关脑疾病诊断治疗有着重要参考价值。

这些研究成果先后在 Nature Materials、Cell Nature Biomedical Engineering 和 PNAS 等一系列期刊进行发表，同时，他还入选了 2021 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”亚太区榜单。

宋恩名一直专注于面向生物医学工程应用的植入式柔性电子系统研究，他师从美国西北大学四院院士约翰·罗杰斯（John A. Rogers）教授，曾以联合培养博士与博士后身份在其课题组从事研究（2015-2020年），后入职复旦大学光电研究院。

日前，宋恩名受 Nature 子刊 Microsystems & Nanoengineering 邀请，撰写了关于人体组织力学性能探测的微系统技术综述性文章，相关论文将以《生物软组织力学性能检测的微系统研究进展》（Recent advances in microsystem approaches for mechanical characterization of soft biological tissues）为题于近日发表。

▲图｜相关论文（来源：Microsystems & Nanoengineering）

该论文概述了近年来用于检测人体组织力学性能的微系统技术，总结了各类微系统的测试机理、材料结构、工程设计和系统集成等方面技术特点，以面向活体动物模型和相关人类患者的治疗诊断应用为出发点，汇总并分析了微系统技术从单细胞尺寸到宏观器官跨度范围内的机电传感原理。

同时，该论文还强调了多个代表性的微系统技术在相关生物医学工程领域的应用案例，例如监测生物组织杨氏模量的变化和识别因病变导致力学性能异常的组织区域等。

文章介绍了最新涌现出的多种可用于生物组织力学性能表征的新兴微系统技术，包括原子力显微镜、微悬臂探针技术、压电传感器技术、机械振动传感器、光学相干弹性成像技术和超声检测方案等等，各有特点，分别适用于人体的不同组织与部位。

▲图｜用于不同生物组织力学性能表征的微系统技术汇总（来源：Microsystems& Nanoengineering）

其中，微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）传感器技术作为一种重要的表征生物组织的微系统，发展十分迅速。该技术的基本原理是通过集成振动致动器、薄膜功能应力探测器等关键部件，通过应变片向底层组织传递周期性压力，进一步测量产生的位移和振幅，再计算得到相应的力学参数。

在此基础上，进一步改良过后的 MEMS 器件可以探测深度约 1 厘米的人体组织的力学特性。通过测量杨氏模量传感器输出电压随不同目标组织厚度变化的实验结果，能够精准分析人体组织模量的动态变化。

此外，MEMS 器件在改良过程中还重点关注了器件的微型化进程，极大地缩小了器件尺寸，以期允许从细胞到组织、器官的不同被测生物靶标的应用。

▲图｜用于表征组织生物力学的微型 MEMS 器件（来源：Microsystems & Nanoengineering）

测量深度、空间分辨率等测量参数是反映微系统技术适用性的重要参数，也是检验其能否应用于实际检测场景的重要指标。该综述以图表形式，总结了包括原子力显微镜、微悬臂探针、压电驱动传感技术、光学相干弹性成像、机电模量传感、超声传感和磁共振弹性成像在内的各种评估方法的空间分辨率、测量深度和应用范围。

▲图｜各种微系统技术的测量尺度对比（来源：Microsystems & Nanoengineering）

关于用于生物软组织力学性能检测的微系统技术的未来发展方向，宋恩名在文章中提到：“材料科学、电子工程和测量原理方面的深入探究为微系统技术的发展奠定了基础平台，使得微系统技术成为了一种能够表征生物软组织进行力学性能的先进测量手段。”

宋恩名同时表示，在此基础上不断发展的具有各种不同功能的器件为未来更有效地诊断不同类型与组织力学性能相关的人体疾病奠定了基础，为解决包括表征微型纤维组织细胞瘤、大面积皮肤病学成像、识别表皮下深层肿瘤结构等医学难题提供了可靠方法，同时可用于跟踪患者体内的病理或生理变化并提供反馈信息，有效地补充了传统监测手段的不足。

将驱动传感组件与高级数据分析方法的接口相结合的设计，为新一代微型可穿戴设备提供了无限可能。构成材料、力学设计、集成方案和测量性能等多种学科的交叉协作，也使得未来智能电子设备的临床转化研究充满了可能性。

参考资料：

1.Song, E., Huang, Y., Huang, N. et al. Recent advances in microsystem approaches for mechanical characterization of soft biological tissues. Microsyst Nanoeng 8, 77 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00412-z