熱點(diǎn)研究：可穿戴生物電子皮膚貼片

生物醫(yī)學(xué)皮膚貼片集成了傳感、電源和報(bào)告等多個(gè)學(xué)科，正在接受大量的研發(fā)努力。

用于醫(yī)療應(yīng)用的被動(dòng)、純化學(xué)、可穿戴皮膚貼片并不新鮮——它們多年來(lái)一直被用于提供緩解疼痛和尼古丁的處方藥。然而，大學(xué)和其他研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行更復(fù)雜的生物識(shí)別可穿戴貼片開發(fā)和評(píng)估。

當(dāng)然，這不僅對(duì)目標(biāo)受試者或患者有意義，而且對(duì)研究團(tuán)隊(duì)也有意義。生物識(shí)別貼片避免了與植入設(shè)備相關(guān)的材料和生物相容性問(wèn)題的許多負(fù)面影響。此外，研究人員無(wú)疑更喜歡測(cè)試他們可以輕松找到志愿者的粘貼貼片，同時(shí)最大限度地減少監(jiān)管和衛(wèi)生問(wèn)題，而不是將他們被測(cè)設(shè)備體外植入豬（非常受歡迎的測(cè)試對(duì)象）等動(dòng)物的尸體中，甚至在體內(nèi)將其植入活體。

貼片還提供了“這是一項(xiàng)革命性的突破”（可能是）的潛在光芒，盡管由于各種技術(shù)、醫(yī)療、成本或可行性原因，很少有（如果有的話）會(huì)被商業(yè)化。補(bǔ)丁非常適合引起注意，從而獲得后續(xù)資助資金（盡管這種考慮很少被引用，除非私下里）。

這些方法利用基本的物理學(xué)、電子學(xué)和傳感原理來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。他們從電子設(shè)備的自供電能量收集到通過(guò)汗液對(duì)關(guān)鍵身體參數(shù)的復(fù)雜傳感、血壓評(píng)估、能量收集或能量反向散射，以及通過(guò)藍(lán)牙或反向散射進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)告。其中許多貼片適用于先進(jìn)材料、超低功耗電子設(shè)備、3D 打印等。

在過(guò)去的幾年里，我讀過(guò)許多引人入勝的生物醫(yī)學(xué)皮膚貼片故事，并觀看了他們的視頻。以下是九個(gè)因其創(chuàng)新、聰明、潛在用途和清晰撰寫的已發(fā)表研究論文而脫穎而出的項(xiàng)目。他們來(lái)自不同的機(jī)構(gòu)，涵蓋一系列生物醫(yī)學(xué)目標(biāo)和實(shí)施：

#1 絲網(wǎng)印刷電極

由華盛頓州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)多機(jī)構(gòu)研究工作證明了可以單獨(dú)使用絲網(wǎng)印刷制造電極。由此產(chǎn)生的可拉伸、耐用的電路圖案可以轉(zhuǎn)移到織物上，并直接佩戴在人體皮膚上。相比之下，目前可穿戴電子產(chǎn)品的商業(yè)制造需要相當(dāng)昂貴的工藝，包括潔凈室。雖然目前其他一些實(shí)現(xiàn)在部分過(guò)程中使用絲網(wǎng)印刷，但這種新方法僅依賴于絲網(wǎng)印刷。

他們使用多步驟工藝，將聚合物和金屬油墨分層以創(chuàng)建蛇狀電極結(jié)構(gòu)。聚酰亞胺 （PI） 層的絲網(wǎng)印刷可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低成本、可擴(kuò)展、高吞吐量的制造。PI 與聚乙二醇混合表現(xiàn)出剪切稀化行為，顯著提高了 PI 的印刷適性。然后將預(yù)混的 Ag/AgCl 油墨用于導(dǎo)電層印刷。多個(gè)電極打印在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的載玻片上，這使得它們很容易剝離并轉(zhuǎn)移到織物或其他材料上，如圖 1 所示。

圖 1.該多步驟工藝涉及將聚酰亞胺 （PI） 和導(dǎo)電 Ag/AgCl 油墨分層，以創(chuàng)建用于可拉伸、適形貼片的電極結(jié)構(gòu)。（圖片：華盛頓州立大學(xué)通過(guò)美國(guó)化學(xué)會(huì))

打印電極后，研究人員將它們轉(zhuǎn)移到志愿者直接佩戴在皮膚上的粘合織物上。帶有板載相關(guān)電路（包括 2.4 GHz 藍(lán)牙鏈路）的無(wú)線電極可準(zhǔn)確記錄心率和呼吸頻率，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)，如圖 2 所示。

圖 2.設(shè)備的爆炸視圖提供了有關(guān)已完成布置的更多視角。（圖片：華盛頓州立大學(xué)通過(guò)美國(guó)化學(xué)會(huì))

除了華盛頓州立大學(xué)外，該團(tuán)隊(duì)還包括韓國(guó)的佐治亞理工學(xué)院和釜慶國(guó)立大學(xué)。該工作在其美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì) （ACS） 論文“完全絲網(wǎng)印刷的 PI/PEG 混合物使可圖案化電極能夠用于皮膚保形、可拉伸、可穿戴電子產(chǎn)品的可擴(kuò)展制造”中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，支持信息文件中提供了更多詳細(xì)信息。

#2 電子繃帶加速愈合

西北大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種小型、靈活、可拉伸的繃帶——據(jù)稱是同類產(chǎn)品中的首創(chuàng)——它通過(guò)直接向傷口部位提供電療來(lái)加速愈合。在一項(xiàng)動(dòng)物研究中，新繃帶治愈糖尿病潰瘍的速度比沒有繃帶的小鼠快 30%?？噹н€積極監(jiān)測(cè)愈合過(guò)程，然后在不再需要后無(wú)害地溶解（電極和所有）到體內(nèi)。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種小型、靈活的繃帶，可以輕柔地包裹受傷部位。智能再生系統(tǒng)的一側(cè)包含兩個(gè)電極：一個(gè)位于創(chuàng)面床頂部的微小花形電極和一個(gè)位于健康組織上的環(huán)形電極，用于包圍整個(gè)傷口。該器件的另一側(cè)包含一個(gè)用于為系統(tǒng)供電的能量收集線圈和一個(gè)用于實(shí)時(shí)更新的近場(chǎng)通信 （NFC） 系統(tǒng)，如圖 3 所示。

圖 3.一種可生物吸收、無(wú)需電池的無(wú)線電療系統(tǒng)，旨在加速傷口愈合。（a） 器件結(jié)構(gòu)及其部件，包括無(wú)線平臺(tái)和鉬電極。（b） 系統(tǒng)作圖，顯示能量收集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。（c） 電極之間的電場(chǎng)分布。（d） 從應(yīng)用到完全生物吸收的器械生命周期。（圖片：西北大學(xué)通過(guò) Science Advances 提供)

如果需要，可以在此處找到對(duì)圖 3 的更深入分析：

• （a） 安裝在足部傷口上的瞬態(tài)、無(wú)線、無(wú)電池電療系統(tǒng)示意圖（左）和放大視圖（右），突出了不同的組件。

• （b） 整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行圖。（RF，射頻;ISO、互連系統(tǒng)運(yùn)行;LDO、低壓差穩(wěn)壓器）

• （c） 正極 （+） 和負(fù)極 （?） 之間電場(chǎng)的有限元分析結(jié)果。比例尺，3 毫米。

• （d） 使用方式的示意圖，傷口上的裝置 （i） 愈合前和 （ii） 愈合后，（iii） 通過(guò)切割陽(yáng)極的痕跡去除，（iv） 治療一段時(shí)間后部分生物再吸收，以及 （v） 完全生物再吸收;半透明的橙色代表已愈合的皮膚。

該團(tuán)隊(duì)還包括傳感器來(lái)評(píng)估傷口的愈合情況。該設(shè)備可以在沒有電線的情況下遠(yuǎn)程作，允許醫(yī)生決定何時(shí)應(yīng)用電刺激并監(jiān)測(cè)傷口的愈合進(jìn)度。

醫(yī)生可以通過(guò)測(cè)量穿過(guò)傷口的電流電阻來(lái)監(jiān)測(cè)進(jìn)展情況。電流測(cè)量值的逐漸減少與愈合過(guò)程直接相關(guān)。因此，如果電流仍然很高，醫(yī)生就知道出了什么問(wèn)題。

他們?cè)?nbsp;Science Advances 上的論文“用于傷口部位電療和阻抗傳感的生物可吸收、無(wú)線和無(wú)電池系統(tǒng)”中探討了這項(xiàng)工作，其中還包括附加的補(bǔ)充信息;這里還有一個(gè)兩分鐘的視頻。

#3 具有即時(shí)讀數(shù)的汗液傳感器

汗水是關(guān)于身體的有用信息的“金礦”。認(rèn)識(shí)到它的優(yōu)點(diǎn)，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師開發(fā)了一種薄、靈活且有彈性的汗液傳感器，只需按一下手指，就可以顯示葡萄糖、乳酸、鈉或 pH 值的水平。

他們聲稱，這是第一款允許傳感器獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立可穿戴設(shè)備，無(wú)需任何有線或無(wú)線連接到外部設(shè)備，即可直接可視化測(cè)量結(jié)果。這款小圓盤形貼片的設(shè)計(jì)包括可穿戴傳感器所需的所有基本組件：兩個(gè)集成電池、一個(gè)微控制器、傳感器、電路和一個(gè)可拉伸顯示器。

該設(shè)備的制造涉及九種不同的可拉伸油墨的配方，這些油墨用于打印電池、電路、顯示面板和傳感器。該器件逐層打印到可拉伸聚合物片材上，并與水凝膠和微控制器芯片組裝成完整的器件。每種墨水都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以確保其與其他層的兼容性，同時(shí)平衡其電氣、化學(xué)和機(jī)械性能，如圖 4 所示。

圖 4.一個(gè)完全集成的、可拉伸的表皮汗液感應(yīng)貼片，帶有電致變色顯示屏。（a） 器件的逐層組成。（b） 系統(tǒng)流程和模塊故障。（c） 貼片作，通過(guò)顯示目標(biāo)濃度 （i） 來(lái)顯示用于表皮汗液感應(yīng)的貼片。隨電解液濃度和電位傳感器讀數(shù) （ii） 以及 Ag 的間歇放電模式而變化的顯示示意圖₂O-Zn 電池電源 （iii）。（d） 在彎曲和拉伸下表現(xiàn)出機(jī)械耐久性，尤其是在拉伸互連和 MCU 之間的連接時(shí)。（圖片：加州大學(xué)圣地亞哥分校通過(guò) Nature Electronics 提供)

當(dāng)施加負(fù)電壓時(shí)，聚合物從淺天藍(lán)色變?yōu)樯詈＼娝{(lán)，并在施加正電壓時(shí)變回原來(lái)。通過(guò)使用 PEDOT：PSS 調(diào)整油墨配方，他們可以使其可打印和可拉伸;補(bǔ)丁可以反復(fù)拉伸 20%，而不會(huì)影響其性能。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)由 10 個(gè)獨(dú)立像素組成的顯示面板，該面板被編程為通過(guò)打開不同數(shù)量的像素來(lái)顯示化學(xué)物質(zhì)的濃度。像素只需 500 毫秒即可改變顏色，因此它們平均僅消耗 80 微瓦的功率。