熱點研究：可穿戴生物電子皮膚貼片（第二部分）

生物醫(yī)學(xué)皮膚貼片集成多種傳感、電源和報告學(xué)科正在接受大量的研發(fā)工作。

這部分繼續(xù)揭露第 1 部分中遺漏的其余三個可穿戴生物識別貼片。可穿戴貼片由于許多明顯和不那么明顯的原因而受到相當(dāng)大的研究關(guān)注。

#4 智能繃帶促進(jìn)和監(jiān)測愈合

加州理工學(xué)院 （Caltech） 開發(fā)的智能繃帶可以更容易、更有效且更便宜地治療無法愈合和感染的傷口，并且會化膿。與可能僅由吸收材料層組成的典型繃帶不同，智能繃帶由柔性和彈性聚合物制成，其中包含嵌入式電子設(shè)備和藥物。這些電子設(shè)備使傳感器能夠監(jiān)測尿酸或乳酸等分子的存在，以及傷口中的 pH 值或溫度等條件，這可能表明炎癥或細(xì)菌感染，如圖 1 所示。

圖 1.用于慢性傷口護(hù)理的無線可伸縮可穿戴系統(tǒng)。（a） 用于實時監(jiān)測和治療的糖尿病足潰瘍軟貼示意圖。（b） 分層設(shè)計包括 SEBS 襯底、生物傳感器陣列、藥物釋放電極和載藥水凝膠。（c） 傳感器布局，包括溫度、pH、NH??、葡萄糖、乳酸、尿酸傳感器和藥物釋放電極。（d-e）緊湊、靈活的補丁的圖像。（比例尺，1 厘米。（f-g）微型無線電子圖和圖像（比例尺，1 厘米）。（h） 貼劑貼在糖尿病大鼠傷口上（比例尺，2 厘米）。（圖片：加州理工學(xué)院通過 Nature Communications 提供)

繃帶可以通過以下三種方式之一做出反應(yīng)：首先，它可以將從傷口收集到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)礁浇挠嬎銠C、平板電腦或智能手機，供患者或醫(yī)療專業(yè)人員查看。其次，它可以將儲存在繃帶內(nèi)的抗生素或其他藥物直接輸送到傷口部位，以治療炎癥和感染。第三，它可以對傷口施加低強度的電場以刺激組織生長，從而加快愈合速度。

可穿戴貼片監(jiān)測一組傷口生物標(biāo)志物，包括溫度、pH 值、銨、葡萄糖、乳酸和尿酸 （UA），選擇這些標(biāo)志物是因為它們在反映慢性傷口的感染、代謝和炎癥狀態(tài)方面很重要。

它由一個多模態(tài)生物傳感器陣列組成，用于對傷口滲出物生物標(biāo)志物進(jìn)行同步和多路電化學(xué)傳感，一個裝有雙重功能抗炎和抗菌肽 （AMP） 的刺激響應(yīng)電活性水凝膠，以及一對用于控制藥物釋放和電刺激的調(diào)壓電極。多路復(fù)用傳感器陣列貼片是通過標(biāo)準(zhǔn)微納加工協(xié)議在犧牲銅層上制造的，然后轉(zhuǎn)移印刷到 SEBS 熱塑性彈性體基板上。

電源管理電路由一個磁簧開關(guān)和一個電壓組成。電刺激和藥物輸送電路使用電壓參考、op am 方波發(fā)生器電路和開關(guān)陣列。電位、電化學(xué)和溫度傳感器接口電路由電壓緩沖陣列、開關(guān)陣列、分壓器和電化學(xué)模擬前端組成。可編程片上系統(tǒng)低功耗藍(lán)牙 （BLE） 模塊用于數(shù)據(jù)處理和無線通信

他們在 Nature Communications 上發(fā)表的論文“用于感染慢性傷口的多路監(jiān)測和聯(lián)合治療的可拉伸無線可穿戴生物電子系統(tǒng)”中討論了這項工作;這篇論文由于其生硬、正式的語氣而很難理解，并且嚴(yán)重偏向于生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)影響，而不是制造和電子學(xué)。但是，28 頁的補充材料文件提供了有關(guān)器件結(jié)構(gòu)的更多詳細(xì)信息，并包括原理圖和物料清單。

#5 生物電子貼片

劍橋大學(xué)（英國）的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)建高性能生物電子學(xué)的方法，可以通過將它們直接打印到該表面來針對各種生物表面進(jìn)行定制，從指尖到蒲公英蓬松的種子頭。他們的技術(shù)部分受到蜘蛛的啟發(fā)，蜘蛛使用最少的材料創(chuàng)造出復(fù)雜而堅固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)他們的環(huán)境。

研究人員用 PEDOT：PSS（一種廣泛用于這些項目的生物相容性導(dǎo)電聚合物）、透明質(zhì)酸和聚環(huán)氧乙烷紡制出他們的生物電子“蜘蛛絲”。高性能纖維是在室溫下由水基溶液生產(chǎn)的，使研究人員能夠控制纖維的可紡性。然后，研究人員設(shè)計了一種軌道旋轉(zhuǎn)方法，使纖維能夠變形為有生命的表面，甚至變成指紋等微結(jié)構(gòu)。

盡管光纖制造過程看起來很脆弱，但它不需要潔凈室，而且裸露的光纖在機械上很穩(wěn)定，而且非常堅固，如圖 2 所示。

圖 2.基于纖維的生物電子傳感器的性能和耐用性。（a） 顯示纖維沿指紋脊排列的插圖和圖像（比例尺：5 mm，500 μm）。（b） 接觸阻抗隨著沉積時間的延長而降低。（c） 來自纖維電極與凝膠電極的高保真 ECG 信號 （P = 0.99）。（d） （i） 在不同負(fù)荷下從拇指肌肉檢測到的 EMG 信號;（ii） 肌電圖振幅隨負(fù)荷增加。（e） 光纖傳感器可以通過重新沉積進(jìn)行修復(fù)，從而恢復(fù)低阻抗。（f） 裸露的纖維電極在磨損、咔嗒聲、摩擦和潮濕條件下保持性能。（g） 保護(hù)纖維增強了濕摩擦下的穩(wěn)定性。（h） 封裝可在多次水沖洗循環(huán)后發(fā)揮作用。（圖片：劍橋大學(xué)通過 Nature Electronics)

他們與志愿者（當(dāng)然是人類）一起進(jìn)行的測試包括心電圖和脈搏評估，如圖 3 所示。

圖 3.（a） 通過雙心電圖傳感增強觸覺，人 （i） 佩戴生物電子纖維陣列，人 ii 沒有。將通過光纖陣列獲取的雙 ECG 信號與來自驗證凝膠電極的重建復(fù)合 ECG 信號進(jìn)行比較。紅色向下和綠色向上的三角形分別表示 person-i 和 person-ii 的 R 峰值。（b） 指尖上的透氣皮膚門控 OECT;OECT 顯示 60 秒范圍內(nèi)的響應(yīng)時間。（c） 雙模態(tài)傳感，用于增強對具有酸性、堿性和中性成分的霧脈沖的感知，通過比色和電讀數(shù)來區(qū)分。油霧脈沖照片顯示了一個中性油霧脈沖的示例，通過施加三個連續(xù)的中性油霧脈沖來記錄光纖電阻變化（光纖陣列的初始電阻在 10 kΩ 的范圍內(nèi)）。（圖片：劍橋大學(xué)通過 Nature Electronics)

這項工作在他們發(fā)表在《自然電子學(xué)》上的論文“用有機生物電子纖維可持續(xù)和不可見地增強生命結(jié)構(gòu)”中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

#6 可穿戴超聲貼片

加州大學(xué)圣地亞哥分校 （University of California， San Diego） 的工程師開發(fā)了一種可穿戴式超聲貼片，可對大腦中的血流進(jìn)行連續(xù)、無創(chuàng)的監(jiān)測。柔軟而有彈性的貼片可以舒適地佩戴在太陽穴上，以提供腦血流的三維數(shù)據(jù)，他們聲稱這在可穿戴技術(shù)中是首創(chuàng)。

目前的臨床標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)顱多普勒 （TCD） 超聲，它要求訓(xùn)練有素的技術(shù)人員將超聲探頭靠在患者的頭部。該過程取決于作員，因此測量精度可能會根據(jù)作員的技能而變化，并且長期使用也是不切實際的。相比之下，UCSD 可穿戴超聲貼片提供了一種免提、一致且舒適的解決方案，可以在患者住院期間持續(xù)佩戴。

這個補丁大約有一張郵票那么大，由嵌入了幾層彈性電子設(shè)備的硅橡膠制成。一層由一系列小型壓電換能器組成，這些換能器在受到電刺激時產(chǎn)生超聲波并接收從大腦反射的超聲波。另一個關(guān)鍵組件是由彈簧形線制成的銅網(wǎng)層，它通過最大限度地減少佩戴者身體和環(huán)境的干擾來提高信號質(zhì)量。其余各層由可拉伸電極組成，如圖 4 所示。

圖 4.這種二維超聲壓電換能器陣列放置在患者的頭皮上，并與重要的后處理相結(jié)合，以揭示大腦中血流的細(xì)節(jié)，這是一個重要的醫(yī)學(xué)評估考慮因素。（圖片：加州大學(xué)圣地亞哥分校）)

這個補丁大約有一張郵票那么大，由嵌入了幾層彈性電子設(shè)備的硅橡膠制成。一層由 2 MHz 壓電換能器陣列組成，它們在受到電刺激時產(chǎn)生超聲波并接收從大腦反射的超聲波。另一個關(guān)鍵組件是由彈簧形線制成的銅網(wǎng)層，它通過最大限度地減少來自佩戴者身體和環(huán)境的干擾來提高信號質(zhì)量。其余各層由可拉伸電極組成，如圖 5 所示。

圖 5.用于腦血流監(jiān)測的保形超聲貼片。（a） 用于經(jīng)顱多普勒 （TCD） 成像的可穿戴貼片圖，顯示放置在頭皮上以繪制腦動脈圖。該貼片具有 16×16 壓電傳感器陣列，帶有可拉伸電極、銅屏蔽和硅膠封裝。（b） 使用 2D 波束形成模擬發(fā)散和聚焦超聲場。（c） 符合曲面的柔性貼片的照片，插圖顯示換能器細(xì)節(jié)和屏蔽（比例尺：5 毫米 （b，c）;1 毫米（c，插圖）。（圖片：加州大學(xué)圣地亞哥分校通過 ResearchGate)

2 MHz 超聲波減少了顱骨引起的衰減和相位像差，銅網(wǎng)屏蔽層提供了與皮膚的保形接觸，提高了信噪比。聚焦超聲波支持連續(xù)記錄選定位置的血流光譜。

他們的設(shè)計需要高級算法和大量的數(shù)據(jù)采集后計算，但這是一個可以接受的權(quán)衡。對 36 名受試者的測試顯示與醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn) TCD 儀器密切相關(guān);請注意，它們用于量化準(zhǔn)確性的品質(zhì)因數(shù)與用于非醫(yī)學(xué)甚至非顱腦評估的超聲技術(shù)使用的品質(zhì)因數(shù)大不相同。詳細(xì)信息見他們在 Nature 上的論文“使用保形超聲貼片的經(jīng)顱體積成像”。

本文的第 3 部分著眼于另外三種生物識別皮膚貼片。