用于评估动物/人体组织力学特性的微机电系统可以为医学研究和临床诊断提供强大的助力，是极具前景的发展方向。复旦大学光电研究院宋恩名青年研究员团队，联合美国西北大学John A. Rogers教授、香港城市大学于欣格教授、复旦大学梅永丰教授针对目前发展卓有成果的各种软组织机械性能表征技术进行了总结，重点比较了不同表征技术之间的结构设计、工作原理和测量参数，介绍了这些技术在临床中的相关应用，如监测软组织机械性能的变化、识别具有显著模量变化的病变组织等用。文章进一步讨论了若干基于平面微电子机械系统（MEMS）方式的技术。利用这些技术所制备的生物可兼容性接口，可以检测从单细胞量级至器官量级的目标。相关的微机电器件和检测方法可以应用于生物力学传感、卫生保健和生物学研究等许多方面。
本文亮点
1、概述了各种用于检测人体组织力学性能的微系统技术，重点汇总了近年来各类技术的测试机理、材料选择、工程设计和系统集成等方面。
2、总结并分析了近年来微系统技术在活体动物模型和相关患者从单个细胞尺寸到宏观器官跨度范围内的机电传感原理。
3、介绍了近年来代表性的微系统技术在相关生物医学工程领域的不同应用，包括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。
研究背景
综述重点介绍了一些可以应用于动物模型和人体的生物力学传感的最新微机电技术。材料科学、精密仪器和新型测量原理的发展为这一系列高精度测量系统奠定了基础，这些系统具有先进的功能，可以应用于软生物组织的力学表征。这些器件不仅可以满足传统测试方法的要求，而且进一步增加了软组织接口，提高了测量分辨率，并且扩大了应用范围。此类新型器件的测试尺度可从表征微观尺度纤维组织的细胞瘤到大面积皮肤力学模量成像，可以进一步识别表皮以下的深层肿瘤，为未来诊断不同类型的疾病提供了新的可能。
为了获得更好的软组织检测效果，必须解决的挑战之一是开发单一的、可伸缩的、具有混合功能的测量系统，该系统可以在多种空间尺度和深度上对生物力学进行评估，进一步增加测量精度以及空间分辨率。这些技术都被期望以快速、精确且不具有侵入性的方式进行。未来改进这些微机电器件可以从材料工程、制造技术、高密度传感器/致动器阵列组装和系统设计的进一步小型化等方面入手。在机械传感方面，用半导体(如单晶硅纳米膜)或压电材料(如PZT)取代基于传统金属(如Au和Pt)的应变片可以获得更好的效果。在临床诊断方面，简单的设计和操作可以帮助常规工具进行精确、高灵敏度的生物力学评估，以替代基于人工触诊的定性检查。
这些技术的一个重要发展趋势是将功能性微系统集成到一个可穿戴或可进行无线操作的便携式平台。将驱动/传感组件与先进的数据分析方法结合在一起，集成到无需电池的可穿戴平台上，并进一步增加与智能手机的接口，可以用于日常测量和家庭诊断。其最终目标是利用组织生物力学的原理，对患者进行实时、连续的监测，可作为传统生命体征监测的补充，也能够跟踪病理生理变化，为治疗提供反馈。作为一种跨学科的研究，该方向的发展需要材料、力学设计、集成方案和测量性能等多方面的进步，其发展可进一步为探索性研究和临床转化创造机会。
图文导读
图1：近年来用于生物/人体组织力学性能表征的代表性微电子机械系统汇总 。
本图对近年来新兴的可用于生物组织力学性能表征的微系统技术的关键特征进行了概述，展示了包括原子力显微镜(AFM)/微悬臂探针技术、压电致动器/传感器技术（PAT）、机械振动（EMM）传感器、光学相干弹性成像技术（OCE）和超声检测方案（US）在内的不同技术在实际表征应用中可适用的组织部位。
图2：用于生物组织力学性能表征的微型化智能MEMS器件。
(a) 微型MEMS传感器件的部件分解图。该杨氏模量传感器集成了振动致动器、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。右上方插图为器件内部的工作电路示意图，左下方插图为器件背面照片。(b) MEMS器件测量指尖处皮肤的力学特性。(c) 杨氏模量传感器输出电压随不同模量样品的厚度变化的实验结果和仿真结果。(d)人体组织模量的动态测量结果。左图为人左前臂举起哑铃前（上）和举起哑铃时（下）的照片。右图为测试过程中传感器电压随时间发生的动态实测输出电压曲线。
图3：多种可用于生物组织力学表征的微系统技术的探测深度、时空分辨率和应用范围示意图 。
本图总结了包括原子力显微镜（AFM）、微悬臂探针（CBM）、压电驱动传感技术（PAT）、光学相干弹性成像（OCE）、机电模量（EMM）传感、超声（US）传感和磁共振弹性成像（MRE）在内的各种不同类型的组织模量评估方法的探测深度、时空分辨率和应用范围。
作者及实验室简介
第一作者：
宋恩名，复旦大学光电研究院，博士生导师。主要研究方向为脑机接口工程领域的植入式柔性电子系统。
黄雅，香港城市大学生物医学与工程系博士后。主要研究方向为可穿戴电子设备。
黄宁歌，复旦大学材料科学系硕士生。主要研究方向为柔性电子设备。
通讯作者：
梅永丰，复旦大学材料科学系。主要研究方向为微纳加工与半导体工艺、新型电子技术等。
实验室简介：
复旦大学光电研究院2021年1月由褚君浩院士创院，是复旦大学校内独立的二级实体研究机构。宋恩名青年研究员课题组主要从事植入式脑机接口应用的柔性半导体微电子系统研究，工作围绕万级通道硅薄膜CMOS晶体管阵列的全脑维度脑电传感功能。该技术预计促进多功能、高性能的新型生物医学工程的应用，相关成果对特定的人体疾病（如帕金森症、癫痫）的医疗方向有重要的参考意义。
