熱點(diǎn)研究：可穿戴生物電子皮膚貼片（第二部分）

生物醫學(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。

這部分繼續揭露第 1 部分中遺漏的其余三個(gè)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大的研究關(guān)注。

#4 智能繃帶促進(jìn)和監測愈合

加州理工學(xué)院 （Caltech） 開(kāi)發(fā)的智能繃帶可以更容易、更有效且更便宜地治療無(wú)法愈合和感染的傷口，并且會(huì )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備和藥物。這些電子設備使傳感器能夠監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菌感染，如圖 1 所示。

圖 1.用于慢性傷口護理的無(wú)線(xiàn)可伸縮可穿戴系統。（a） 用于實(shí)時(shí)監測和治療的糖尿病足潰瘍軟貼示意圖。（b） 分層設計包括 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(wú)線(xiàn)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(guò) Nature Communications 提供)

繃帶可以通過(guò)以下三種方式之一做出反應：首先，它可以將從傷口收集到的數據無(wú)線(xiàn)傳輸到附近的計算機、平板電腦或智能手機，供患者或醫療專(zhuān)業(yè)人員查看。其次，它可以將儲存在繃帶內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(chǎng)以刺激組織生長(cháng)，從而加快愈合速度。

可穿戴貼片監測一組傷口生物標志物，包括溫度、pH 值、銨、葡萄糖、乳酸和尿酸 （UA），選擇這些標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(gè)多模態(tài)生物傳感器陣列組成，用于對傷口滲出物生物標志物進(jìn)行同步和多路電化學(xué)傳感，一個(gè)裝有雙重功能抗炎和抗菌肽 （AMP） 的刺激響應電活性水凝膠，以及一對用于控制藥物釋放和電刺激的調壓電極。多路復用傳感器陣列貼片是通過(guò)標準微納加工協(xié)議在犧牲銅層上制造的，然后轉移印刷到 SEBS 熱塑性彈性體基板上。

電源管理電路由一個(gè)磁簧開(kāi)關(guān)和一個(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)陣列、分壓器和電化學(xué)模擬前端組成?？删幊唐舷到y低功耗藍牙 （BLE） 模塊用于數據處理和無(wú)線(xiàn)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測和聯(lián)合治療的可拉伸無(wú)線(xiàn)可穿戴生物電子系統”中討論了這項工作;這篇論文由于其生硬、正式的語(yǔ)氣而很難理解，并且嚴重偏向于生物化學(xué)和醫學(xué)影響，而不是制造和電子學(xué)。但是，28 頁(yè)的補充材料文件提供了有關(guān)器件結構的更多詳細信息，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(kāi)發(fā)了一種創(chuàng )建高性能生物電子學(xué)的方法，可以通過(guò)將它們直接打印到該表面來(lái)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 )造出復雜而堅固的網(wǎng)狀結構，以適應他們的環(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，研究人員設計了一種軌道旋轉方法，使纖維能夠變形為有生命的表面，甚至變成指紋等微結構。

盡管光纖制造過(guò)程看起來(lái)很脆弱，但它不需要潔凈室，而且裸露的光纖在機械上很穩定，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(zhù)沉積時(shí)間的延長(cháng)而降低。（c） 來(lái)自纖維電極與凝膠電極的高保真 ECG 信號 （P = 0.99）。（d） （i） 在不同負荷下從拇指肌肉檢測到的 EMG 信號;（ii） 肌電圖振幅隨負荷增加。（e） 光纖傳感器可以通過(guò)重新沉積進(jìn)行修復，從而恢復低阻抗。（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） 保護纖維增強了濕摩擦下的穩定性。（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(guò) Nature Electronics)

他們與志愿者（當然是人類(lèi)）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(guò)雙心電圖傳感增強觸覺(jué)，人 （i） 佩戴生物電子纖維陣列，人 ii 沒(méi)有。將通過(guò)光纖陣列獲取的雙 ECG 信號與來(lái)自驗證凝膠電極的重建復合 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(mén)控 OECT;OECT 顯示 60 秒范圍內的響應時(shí)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(guò)比色和電讀數來(lái)區分。油霧脈沖照片顯示了一個(gè)中性油霧脈沖的示例，通過(guò)施加三個(gè)連續的中性油霧脈沖來(lái)記錄光纖電阻變化（光纖陣列的初始電阻在 10 kΩ 的范圍內）。（圖片：劍橋大學(xué)通過(guò) 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和不可見(jiàn)地增強生命結構”中進(jìn)行了詳細介紹。

#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(kāi)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、無(wú)創(chuàng )的監測。柔軟而有彈性的貼片可以舒適地佩戴在太陽(yáng)穴上，以提供腦血流的三維數據，他們聲稱(chēng)這在可穿戴技術(shù)中是首創(chuàng )。

目前的臨床標準是經(jīng)顱多普勒 （TCD） 超聲，它要求訓練有素的技術(shù)人員將超聲探頭靠在患者的頭部。該過(guò)程取決于作員，因此測量精度可能會(huì )根據作員的技能而變化，并且長(cháng)期使用也是不切實(shí)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佩戴。

這個(gè)補丁大約有一張郵票那么大，由嵌入了幾層彈性電子設備的硅橡膠制成。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(shí)產(chǎn)生超聲波并接收從大腦反射的超聲波。另一個(gè)關(guān)鍵組件是由彈簧形線(xiàn)制成的銅網(wǎng)層，它通過(guò)最大限度地減少佩戴者身體和環(huán)境的干擾來(lái)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合，以揭示大腦中血流的細節，這是一個(gè)重要的醫學(xué)評估考慮因素。（圖片：加州大學(xué)圣地亞哥分校）)

這個(gè)補丁大約有一張郵票那么大，由嵌入了幾層彈性電子設備的硅橡膠制成。一層由 2 MHz 壓電換能器陣列組成，它們在受到電刺激時(shí)產(chǎn)生超聲波并接收從大腦反射的超聲波。另一個(gè)關(guān)鍵組件是由彈簧形線(xiàn)制成的銅網(wǎng)層，它通過(guò)最大限度地減少來(lái)自佩戴者身體和環(huán)境的干擾來(lái)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(dòng)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(chǎng)。（c） 符合曲面的柔性貼片的照片，插圖顯示換能器細節和屏蔽（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(guò) 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記錄選定位置的血流光譜。

他們的設計需要高級算法和大量的數據采集后計算，但這是一個(gè)可以接受的權衡。對 36 名受試者的測試顯示與醫療標準 TCD 儀器密切相關(guān);請注意，它們用于量化準確性的品質(zhì)因數與用于非醫學(xué)甚至非顱腦評估的超聲技術(shù)使用的品質(zhì)因數大不相同。詳細信息見(jiàn)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(zhù)眼于另外三種生物識別皮膚貼片。