形状记忆合金基生物组织弹性模量全范围(kPa-GPa)实时测量探针的研发与应用

上海交通大学团队开发了一种基于形状记忆合金(SMA)的微型探针，通过集成驱动-传感功能，实现了从软组织(kPa)到骨骼(GPa)的全范围弹性模量实时测量。该设备突破传统方法三数量级的测量范围限制，在肿瘤边界定位(空间分辨率2mm)和术中组织鉴别(分辨率1.53mN@kPa)中展现临床潜力，为精准外科提供新型力学诊断工具。

　　

在医疗诊断和手术过程中，医生常通过触诊判断组织硬度变化来识别病变区域。然而，人体组织的弹性模量跨越惊人的八个数量级（从10Pa到GPa），传统检测方法如超声弹性成像(UE)和磁共振弹性成像(MRE)不仅设备庞大，且仅适用于kPa范围的软组织检测。更棘手的是，现有微机电系统(MEMS)虽能实现微型化检测，但其测量上限难以突破MPa量级，导致在骨科手术等需要检测硬组织的场景中束手无策。这种"测量盲区"使得术中精准鉴别肿瘤边界、区分不同组织类型面临重大挑战。

上海交通大学金学军、金明江、刘剑楠团队在《Device》发表的创新研究，通过巧妙利用形状记忆合金(SMA)的相变特性，开发出全球首个覆盖kPa-GPa全范围的弹性模量检测探针。该设备的核心突破在于将镍钛(NiTi)合金微丝（直径仅30μm）的驱动与传感功能合二为一：当通入脉冲电流时，微丝通过焦耳热产生可控收缩（应变2.71%），其电阻变化与组织反作用力构成非线性映射关系，通过建立的应力-应变-电阻曲面模型（公式1），成功实现从皮肤到骨骼的全谱系模量解析。

关键技术包括：(1)采用应力控制训练法提升NiTi微丝的疲劳寿命至40万次循环；(2)构建包含拮抗弹簧的微型驱动机构，实现1.53mN@kPa级力分辨率；(3)开发基于电阻实时反馈的模量计算算法；(4)通过裸鼠肝癌模型和口腔癌患者离体组织验证临床适用性。

【设计原理】

研究突破传统线性检测的局限，利用SMA在奥氏体/马氏体相变时电阻率(ρ_A/ρ_M)的非线性变化特性，建立三维参数映射模型。如图1D所示，不同模量的组织在应力-应变-电阻曲面上呈现特征性轨迹，使GPa级硬组织的微小应变(0.2%)也能产生显著电阻信号(ΔR=13.19±0.11Ω)。

【结构与性能】

探针采用笔形设计（图2A），集成可更换检测头与预紧弹簧系统。经训练的NiTi微丝在27-61°C工作温度区间展现稳定相变应变（2.8%）。人工组织测试显示：kPa范围空间分辨率达2mm（图3B），MPa范围提升至1mm（图3C），较传统方法提升三个数量级。

【动物实验】

在肝癌裸鼠模型中（图4B），设备成功区分肿瘤组织(ΔR=1.1±0.1Ω)与正常皮肤(ΔR=0.5±0.08Ω)，对应模量差达13kPa。图4H显示对肝、心、骨等器官的检测结果符合生物力学文献报道。

【临床验证】

口腔癌离体样本测试（图5）揭示：脂肪(15kPa)、肌肉(20kPa)、舌肿瘤(1.25MPa)和骨(1.2GPa)的电阻变化呈现显著梯度，与病理区域硬度变化高度吻合。特别在舌癌样本中，病变区模量较正常组织高3MPa（图5D）。

这项研究开创性地解决了生物力学检测中"软硬不兼容"的世纪难题。其创新价值体现在：(1)首次实现单设备覆盖人体全组织模量检测；(2)通过SMA的本征传感特性，将复杂力学信号转化为电信号直接读取；(3)为机器人辅助手术提供高精度触觉反馈模块。未来通过阵列化设计（图S11），该技术有望进一步发展多维力学感知能力，推动精准医疗从"视觉导航"迈向"力学导航"时代。

（注：文中所有实验数据、图表引用均来自原文，专业术语首次出现时已标注英文全称，作者姓名保留原文格式，数学公式符号按原文样式呈现）