熱點(diǎn)研究：可穿戴生物電子皮膚貼片

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

用于醫療應用的被動(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)和其他研究機構正在進(jìn)行更復雜的生物識別可穿戴貼片開(kāi)發(fā)和評估。

當然，這不僅對目標受試者或患者有意義，而且對研究團隊也有意義。生物識別貼片避免了與植入設備相關(guān)的材料和生物相容性問(wèn)題的許多負面影響。此外，研究人員無(wú)疑更喜歡測試他們可以輕松找到志愿者的粘貼貼片，同時(shí)最大限度地減少監管和衛生問(wèn)題，而不是將他們被測設備體外植入豬（非常受歡迎的測試對象）等動(dòng)物的尸體中，甚至在體內將其植入活體。

貼片還提供了“這是一項革命性的突破”（可能是）的潛在光芒，盡管由于各種技術(shù)、醫療、成本或可行性原因，很少有（如果有的話(huà)）會(huì )被商業(yè)化。補丁非常適合引起注意，從而獲得后續資助資金（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)現其目標。他們從電子設備的自供電能量收集到通過(guò)汗液對關(guān)鍵身體參數的復雜傳感、血壓評估、能量收集或能量反向散射，以及通過(guò)藍牙或反向散射進(jìn)行數據報告。其中許多貼片適用于先進(jìn)材料、超低功耗電子設備、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學(xué)皮膚貼片故事，并觀(guān)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(xiě)的已發(fā)表研究論文而脫穎而出的項目。他們來(lái)自不同的機構，涵蓋一系列生物醫學(xué)目標和實(shí)施：

#1 絲網(wǎng)印刷電極

由華盛頓州立大學(xué)領(lǐng)導的一項多機構研究工作證明了可以單獨使用絲網(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)制造需要相當昂貴的工藝，包括潔凈室。雖然目前其他一些實(shí)現在部分過(guò)程中使用絲網(wǎng)印刷，但這種新方法僅依賴(lài)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 )建蛇狀電極結構。聚酰亞胺 （PI） 層的絲網(wǎng)印刷可實(shí)現簡(jiǎn)單、低成本、可擴展、高吞吐量的制造。PI 與聚乙二醇混合表現出剪切稀化行為，顯著(zhù)提高了 PI 的印刷適性。然后將預混的 Ag/AgCl 油墨用于導電層印刷。多個(gè)電極打印在經(jīng)過(guò)預處理的載玻片上，這使得它們很容易剝離并轉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） 和導電 Ag/AgCl 油墨分層，以創(chuàng )建用于可拉伸、適形貼片的電極結構。（圖片：華盛頓州立大學(xué)通過(guò)美國化學(xué)會(huì ))

打印電極后，研究人員將它們轉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 藍牙鏈路）的無(wú)線(xiàn)電極可準確記錄心率和呼吸頻率，并將數據發(fā)送到手機，如圖 2 所示。

圖 2.設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)美國化學(xué)會(huì ))

除了華盛頓州立大學(xué)外，該團隊還包括韓國的佐治亞理工學(xué)院和釜慶國立大學(xué)。該工作在其美國化學(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)品的可擴展制造”中進(jìn)行了詳細說(shuō)明，支持信息文件中提供了更多詳細信息。

#2 電子繃帶加速愈合

西北大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種小型、靈活、可拉伸的繃帶——據稱(chēng)是同類(lèi)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。在一項動(dòng)物研究中，新繃帶治愈糖尿病潰瘍的速度比沒(méi)有繃帶的小鼠快 30%?？噹н€積極監測愈合過(guò)程，然后在不再需要后無(wú)害地溶解（電極和所有）到體內。

聯(lián)合團隊開(kāi)發(fā)了一種小型、靈活的繃帶，可以輕柔地包裹受傷部位。智能再生系統的一側包含兩個(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。該器件的另一側包含一個(gè)用于為系統供電的能量收集線(xiàn)圈和一個(gè)用于實(shí)時(shí)更新的近場(chǎng)通信 （NFC） 系統，如圖 3 所示。

圖 3.一種可生物吸收、無(wú)需電池的無(wú)線(xiàn)電療系統，旨在加速傷口愈合。（a） 器件結構及其部件，包括無(wú)線(xiàn)平臺和鉬電極。（b） 系統作圖，顯示能量收集和實(shí)時(shí)監控。（c） 電極之間的電場(chǎng)分布。（d） 從應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，可以在此處找到對圖 3 的更深入分析：

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

• （b） 整個(gè)系統的運行圖。（RF，射頻;ISO、互連系統運行;LDO、低壓差穩壓器）

• （c） 正極 （+） 和負極 （?） 之間電場(chǎng)的有限元分析結果。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。

該團隊還包括傳感器來(lái)評估傷口的愈合情況。該設備可以在沒(méi)有電線(xiàn)的情況下遠程作，允許醫生決定何時(shí)應用電刺激并監測傷口的愈合進(jìn)度。

醫生可以通過(guò)測量穿過(guò)傷口的電流電阻來(lái)監測進(jìn)展情況。電流測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，醫生就知道出了什么問(wèn)題。

他們在 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(xiàn)和無(wú)電池系統”中探討了這項工作，其中還包括附加的補充信息;這里還有一個(gè)兩分鐘的視頻。

#3 具有即時(shí)讀數的汗液傳感器

汗水是關(guān)于身體的有用信息的“金礦”。認識到它的優(yōu)點(diǎn)，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師開(kāi)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(chēng)，這是第一款允許傳感器獨立運行的獨立可穿戴設備，無(wú)需任何有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接到外部設備，即可直接可視化測量結果。這款小圓盤(pán)形貼片的設計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貼片，帶有電致變色顯示屏。（a） 器件的逐層組成。（b） 系統流程和模塊故障。（c） 貼片作，通過(guò)顯示目標濃度 （i） 來(lái)顯示用于表皮汗液感應的貼片。隨電解液濃度和電位傳感器讀數 （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出機械耐久性，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)

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

研究人員設計了一個(gè)由 10 個(gè)獨立像素組成的顯示面板，該面板被編程為通過(guò)打開(kāi)不同數量的像素來(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。