热点研究：可穿戴生物电子皮肤贴片（第二部分）

生物医学皮肤贴片集成多种传感、电源和报告学科正在接受大量的研发工作。

这部分继续揭露第 1 部分中遗漏的其余三个可穿戴生物识别贴片。可穿戴贴片由于许多明显和不那么明显的原因而受到相当大的研究关注。

#4 智能绷带促进和监测愈合

加州理工学院 （Caltech） 开发的智能绷带可以更容易、更有效且更便宜地治疗无法愈合和感染的伤口，并且会化脓。与可能仅由吸收材料层组成的典型绷带不同，智能绷带由柔性和弹性聚合物制成，其中包含嵌入式电子设备和药物。这些电子设备使传感器能够监测尿酸或乳酸等分子的存在，以及伤口中的 pH 值或温度等条件，这可能表明炎症或细菌感染，如图 1 所示。

图 1.用于慢性伤口护理的无线可伸缩可穿戴系统。（a） 用于实时监测和治疗的糖尿病足溃疡软贴示意图。（b） 分层设计包括 SEBS 衬底、生物传感器阵列、药物释放电极和载药水凝胶。（c） 传感器布局，包括温度、pH、NH₄⁺、葡萄糖、乳酸、尿酸传感器和药物释放电极。（d-e）紧凑、灵活的补丁的图像。（比例尺，1 厘米。（f-g）微型无线电子图和图像（比例尺，1 厘米）。（h） 贴剂贴在糖尿病大鼠伤口上（比例尺，2 厘米）。（图片：加州理工学院通过 Nature Communications 提供)

绷带可以通过以下三种方式之一做出反应：首先，它可以将从伤口收集到的数据无线传输到附近的计算机、平板电脑或智能手机，供患者或医疗专业人员查看。其次，它可以将储存在绷带内的抗生素或其他药物直接输送到伤口部位，以治疗炎症和感染。第三，它可以对伤口施加低强度的电场以刺激组织生长，从而加快愈合速度。

可穿戴贴片监测一组伤口生物标志物，包括温度、pH 值、铵、葡萄糖、乳酸和尿酸 （UA），选择这些标志物是因为它们在反映慢性伤口的感染、代谢和炎症状态方面很重要。

它由一个多模态生物传感器阵列组成，用于对伤口渗出物生物标志物进行同步和多路电化学传感，一个装有双重功能抗炎和抗菌肽 （AMP） 的刺激响应电活性水凝胶，以及一对用于控制药物释放和电刺激的调压电极。多路复用传感器阵列贴片是通过标准微纳加工协议在牺牲铜层上制造的，然后转移印刷到 SEBS 热塑性弹性体基板上。

电源管理电路由一个磁簧开关和一个电压组成。电刺激和药物输送电路使用电压参考、op am 方波发生器电路和开关阵列。电位、电化学和温度传感器接口电路由电压缓冲阵列、开关阵列、分压器和电化学模拟前端组成。可编程片上系统低功耗蓝牙 （BLE） 模块用于数据处理和无线通信

他们在 Nature Communications 上发表的论文“用于感染慢性伤口的多路监测和联合治疗的可拉伸无线可穿戴生物电子系统”中讨论了这项工作;这篇论文由于其生硬、正式的语气而很难理解，并且严重偏向于生物化学和医学影响，而不是制造和电子学。但是，28 页的补充材料文件提供了有关器件结构的更多详细信息，并包括原理图和物料清单。

#5 生物电子贴片

剑桥大学（英国）的研究人员开发了一种创建高性能生物电子学的方法，可以通过将它们直接打印到该表面来针对各种生物表面进行定制，从指尖到蒲公英蓬松的种子头。他们的技术部分受到蜘蛛的启发，蜘蛛使用最少的材料创造出复杂而坚固的网状结构，以适应他们的环境。

研究人员用 PEDOT：PSS（一种广泛用于这些项目的生物相容性导电聚合物）、透明质酸和聚环氧乙烷纺制出他们的生物电子“蜘蛛丝”。高性能纤维是在室温下由水基溶液生产的，使研究人员能够控制纤维的可纺性。然后，研究人员设计了一种轨道旋转方法，使纤维能够变形为有生命的表面，甚至变成指纹等微结构。

尽管光纤制造过程看起来很脆弱，但它不需要洁净室，而且裸露的光纤在机械上很稳定，而且非常坚固，如图 2 所示。

图 2.基于纤维的生物电子传感器的性能和耐用性。（a） 显示纤维沿指纹脊排列的插图和图像（比例尺：5 mm，500 μm）。（b） 接触阻抗随着沉积时间的延长而降低。（c） 来自纤维电极与凝胶电极的高保真 ECG 信号 （P = 0.99）。（d） （i） 在不同负荷下从拇指肌肉检测到的 EMG 信号;（ii） 肌电图振幅随负荷增加。（e） 光纤传感器可以通过重新沉积进行修复，从而恢复低阻抗。（f） 裸露的纤维电极在磨损、咔嗒声、摩擦和潮湿条件下保持性能。（g） 保护纤维增强了湿摩擦下的稳定性。（h） 封装可在多次水冲洗循环后发挥作用。（图片：剑桥大学通过 Nature Electronics)

他们与志愿者（当然是人类）一起进行的测试包括心电图和脉搏评估，如图 3 所示。

图 3.（a） 通过双心电图传感增强触觉，人 （i） 佩戴生物电子纤维阵列，人 ii 没有。将通过光纤阵列获取的双 ECG 信号与来自验证凝胶电极的重建复合 ECG 信号进行比较。红色向下和绿色向上的三角形分别表示 person-i 和 person-ii 的 R 峰值。（b） 指尖上的透气皮肤门控 OECT;OECT 显示 60 秒范围内的响应时间。（c） 双模态传感，用于增强对具有酸性、碱性和中性成分的雾脉冲的感知，通过比色和电读数来区分。油雾脉冲照片显示了一个中性油雾脉冲的示例，通过施加三个连续的中性油雾脉冲来记录光纤电阻变化（光纤阵列的初始电阻在 10 kΩ 的范围内）。（图片：剑桥大学通过 Nature Electronics)

这项工作在他们发表在《自然电子学》上的论文“用有机生物电子纤维可持续和不可见地增强生命结构”中进行了详细介绍。

#6 可穿戴超声贴片

加州大学圣地亚哥分校 （University of California， San Diego） 的工程师开发了一种可穿戴式超声贴片，可对大脑中的血流进行连续、无创的监测。柔软而有弹性的贴片可以舒适地佩戴在太阳穴上，以提供脑血流的三维数据，他们声称这在可穿戴技术中是首创。

目前的临床标准是经颅多普勒 （TCD） 超声，它要求训练有素的技术人员将超声探头靠在患者的头部。该过程取决于作员，因此测量精度可能会根据作员的技能而变化，并且长期使用也是不切实际的。相比之下，UCSD 可穿戴超声贴片提供了一种免提、一致且舒适的解决方案，可以在患者住院期间持续佩戴。

这个补丁大约有一张邮票那么大，由嵌入了几层弹性电子设备的硅橡胶制成。一层由一系列小型压电换能器组成，这些换能器在受到电刺激时产生超声波并接收从大脑反射的超声波。另一个关键组件是由弹簧形线制成的铜网层，它通过最大限度地减少佩戴者身体和环境的干扰来提高信号质量。其余各层由可拉伸电极组成，如图 4 所示。

图 4.这种二维超声压电换能器阵列放置在患者的头皮上，并与重要的后处理相结合，以揭示大脑中血流的细节，这是一个重要的医学评估考虑因素。（图片：加州大学圣地亚哥分校）)

这个补丁大约有一张邮票那么大，由嵌入了几层弹性电子设备的硅橡胶制成。一层由 2 MHz 压电换能器阵列组成，它们在受到电刺激时产生超声波并接收从大脑反射的超声波。另一个关键组件是由弹簧形线制成的铜网层，它通过最大限度地减少来自佩戴者身体和环境的干扰来提高信号质量。其余各层由可拉伸电极组成，如图 5 所示。

图 5.用于脑血流监测的保形超声贴片。（a） 用于经颅多普勒 （TCD） 成像的可穿戴贴片图，显示放置在头皮上以绘制脑动脉图。该贴片具有 16×16 压电传感器阵列，带有可拉伸电极、铜屏蔽和硅胶封装。（b） 使用 2D 波束形成模拟发散和聚焦超声场。（c） 符合曲面的柔性贴片的照片，插图显示换能器细节和屏蔽（比例尺：5 毫米 （b，c）;1 毫米（c，插图）。（图片：加州大学圣地亚哥分校通过 ResearchGate)

2 MHz 超声波减少了颅骨引起的衰减和相位像差，铜网屏蔽层提供了与皮肤的保形接触，提高了信噪比。聚焦超声波支持连续记录选定位置的血流光谱。

他们的设计需要高级算法和大量的数据采集后计算，但这是一个可以接受的权衡。对 36 名受试者的测试显示与医疗标准 TCD 仪器密切相关;请注意，它们用于量化准确性的品质因数与用于非医学甚至非颅脑评估的超声技术使用的品质因数大不相同。详细信息见他们在 Nature 上的论文“使用保形超声贴片的经颅体积成像”。

本文的第 3 部分着眼于另外三种生物识别皮肤贴片。