熱點研究：可穿戴生物電子皮膚貼片

生物醫學皮膚貼片集成了傳感、電源和報告等多個學科，正在接受大量的研發努力。

用于醫療應用的被動、純化學、可穿戴皮膚貼片并不新鮮——它們多年來一直被用于提供緩解疼痛和尼古丁的處方藥。然而，大學和其他研究機構正在進行更復雜的生物識別可穿戴貼片開發和評估。

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的材料和生物相容性問題的許多負面影響。此外，研究人員無疑更喜歡測試他們可以輕松找到志愿者的粘貼貼片，同時最大限度地減少監管和衛生問題，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、醫療、成本或可行性原因，很少有（如果有的話）會被商業化。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、電子學和傳感原理來實現其目標。他們從電子設備的自供電能量收集到通過汗液對關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，以及通過藍牙或反向散射進行數據報告。其中許多貼片適用于先進材料、超低功耗電子設備、3D 打印等。

在過去的幾年里，我讀過許多引人入勝的生物醫學皮膚貼片故事，并觀看了他們的視頻。以下是九個因其創新、聰明、潛在用途和清晰撰寫的已發表研究論文而脫穎而出的項目。他們來自不同的機構，涵蓋一系列生物醫學目標和實施：

#1 絲網印刷電極

由華盛頓州立大學領導的一項多機構研究工作證明了可以單獨使用絲網印刷制造電極。由此產生的可拉伸、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，目前可穿戴電子產品的商業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現在部分過程中使用絲網印刷，但這種新方法僅依賴于絲網印刷。

他們使用多步驟工藝，將聚合物和金屬油墨分層以創建蛇狀電極結構。聚酰亞胺 （PI） 層的絲網印刷可實現簡單、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。多個電極打印在經過預處理的載玻片上，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，以創建用于可拉伸、適形貼片的電極結構。（圖片：華盛頓州立大學通過美國化學會)

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。帶有板載相關電路（包括 2.4 GHz 藍牙鏈路）的無線電極可準確記錄心率和呼吸頻率，并將數據發送到手機，如圖 2 所示。

圖 2.設備的爆炸視圖提供了有關已完成布置的更多視角。（圖片：華盛頓州立大學通過美國化學會)

除了華盛頓州立大學外，該團隊還包括韓國的佐治亞理工學院和釜慶國立大學。該工作在其美國化學學會 （ACS） 論文“完全絲網印刷的 PI/PEG 混合物使可圖案化電極能夠用于皮膚保形、可拉伸、可穿戴電子產品的可擴展制造”中進行了詳細說明，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

西北大學的研究人員開發了一種小型、靈活、可拉伸的繃帶——據稱是同類產品中的首創——它通過直接向傷口部位提供電療來加速愈合。在一項動物研究中，新繃帶治愈糖尿病潰瘍的速度比沒有繃帶的小鼠快 30%。繃帶還積極監測愈合過程，然后在不再需要后無害地溶解（電極和所有）到體內。

聯合團隊開發了一種小型、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電極：一個位于創面床頂部的微小花形電極和一個位于健康組織上的環形電極，用于包圍整個傷口。該器件的另一側包含一個用于為系統供電的能量收集線圈和一個用于實時更新的近場通信 （NFC） 系統，如圖 3 所示。

圖 3.一種可生物吸收、無需電池的無線電療系統，旨在加速傷口愈合。（a） 器件結構及其部件，包括無線平臺和鉬電極。（b） 系統作圖，顯示能量收集和實時監控。（c） 電極之間的電場分布。（d） 從應用到完全生物吸收的器械生命周期。（圖片：西北大學通過 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、無線、無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） 通過切割陽極的痕跡去除，（iv） 治療一段時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評估傷口的愈合情況。該設備可以在沒有電線的情況下遠程作，允許醫生決定何時應用電刺激并監測傷口的愈合進度。

醫生可以通過測量穿過傷口的電流電阻來監測進展情況。電流測量值的逐漸減少與愈合過程直接相關。因此，如果電流仍然很高，醫生就知道出了什么問題。

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、無線和無電池系統”中探討了這項工作，其中還包括附加的補充信息;這里還有一個兩分鐘的視頻。

#3 具有即時讀數的汗液傳感器

汗水是關于身體的有用信息的“金礦”。認識到它的優點，加州大學圣地亞哥分校的工程師開發了一種薄、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立運行的獨立可穿戴設備，無需任何有線或無線連接到外部設備，即可直接可視化測量結果。這款小圓盤形貼片的設計包括可穿戴傳感器所需的所有基本組件：兩個集成電池、一個微控制器、傳感器、電路和一個可拉伸顯示器。

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。每種墨水都經過優化，以確保其與其他層的兼容性，同時平衡其電氣、化學和機械性能，如圖 4 所示。

圖 4.一個完全集成的、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，通過顯示目標濃度 （i） 來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。（圖片：加州大學圣地亞哥分校通過 Nature Electronics 提供)

當施加負電壓時，聚合物從淺天藍色變為深海軍藍，并在施加正電壓時變回原來。通過使用 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%，而不會影響其性能。

研究人員設計了一個由 10 個獨立像素組成的顯示面板，該面板被編程為通過打開不同數量的像素來顯示化學物質的濃度。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。