热点研究：可穿戴生物电子皮肤贴片

生物医学皮肤贴片集成了传感、电源和报告等多个学科，正在接受大量的研发努力。

用于医疗应用的被动、纯化学、可穿戴皮肤贴片并不新鲜——它们多年来一直被用于提供缓解疼痛和尼古丁的处方药。然而，大学和其他研究机构正在进行更复杂的生物识别可穿戴贴片开发和评估。

当然，这不仅对目标受试者或患者有意义，而且对研究团队也有意义。生物识别贴片避免了与植入设备相关的材料和生物相容性问题的许多负面影响。此外，研究人员无疑更喜欢测试他们可以轻松找到志愿者的粘贴贴片，同时最大限度地减少监管和卫生问题，而不是将他们被测设备体外植入猪（非常受欢迎的测试对象）等动物的尸体中，甚至在体内将其植入活体。

贴片还提供了“这是一项革命性的突破”（可能是）的潜在光芒，尽管由于各种技术、医疗、成本或可行性原因，很少有（如果有的话）会被商业化。补丁非常适合引起注意，从而获得后续资助资金（尽管这种考虑很少被引用，除非私下里）。

这些方法利用基本的物理学、电子学和传感原理来实现其目标。他们从电子设备的自供电能量收集到通过汗液对关键身体参数的复杂传感、血压评估、能量收集或能量反向散射，以及通过蓝牙或反向散射进行数据报告。其中许多贴片适用于先进材料、超低功耗电子设备、3D 打印等。

在过去的几年里，我读过许多引人入胜的生物医学皮肤贴片故事，并观看了他们的视频。以下是九个因其创新、聪明、潜在用途和清晰撰写的已发表研究论文而脱颖而出的项目。他们来自不同的机构，涵盖一系列生物医学目标和实施：

#1 丝网印刷电极

由华盛顿州立大学领导的一项多机构研究工作证明了可以单独使用丝网印刷制造电极。由此产生的可拉伸、耐用的电路图案可以转移到织物上，并直接佩戴在人体皮肤上。相比之下，目前可穿戴电子产品的商业制造需要相当昂贵的工艺，包括洁净室。虽然目前其他一些实现在部分过程中使用丝网印刷，但这种新方法仅依赖于丝网印刷。

他们使用多步骤工艺，将聚合物和金属油墨分层以创建蛇状电极结构。聚酰亚胺 （PI） 层的丝网印刷可实现简单、低成本、可扩展、高吞吐量的制造。PI 与聚乙二醇混合表现出剪切稀化行为，显著提高了 PI 的印刷适性。然后将预混的 Ag/AgCl 油墨用于导电层印刷。多个电极打印在经过预处理的载玻片上，这使得它们很容易剥离并转移到织物或其他材料上，如图 1 所示。

图 1.该多步骤工艺涉及将聚酰亚胺 （PI） 和导电 Ag/AgCl 油墨分层，以创建用于可拉伸、适形贴片的电极结构。（图片：华盛顿州立大学通过美国化学会)

打印电极后，研究人员将它们转移到志愿者直接佩戴在皮肤上的粘合织物上。带有板载相关电路（包括 2.4 GHz 蓝牙链路）的无线电极可准确记录心率和呼吸频率，并将数据发送到手机，如图 2 所示。

图 2.设备的爆炸视图提供了有关已完成布置的更多视角。（图片：华盛顿州立大学通过美国化学会)

除了华盛顿州立大学外，该团队还包括韩国的佐治亚理工学院和釜庆国立大学。该工作在其美国化学学会 （ACS） 论文“完全丝网印刷的 PI/PEG 混合物使可图案化电极能够用于皮肤保形、可拉伸、可穿戴电子产品的可扩展制造”中进行了详细说明，支持信息文件中提供了更多详细信息。

#2 电子绷带加速愈合

西北大学的研究人员开发了一种小型、灵活、可拉伸的绷带——据称是同类产品中的首创——它通过直接向伤口部位提供电疗来加速愈合。在一项动物研究中，新绷带治愈糖尿病溃疡的速度比没有绷带的小鼠快 30%。绷带还积极监测愈合过程，然后在不再需要后无害地溶解（电极和所有）到体内。

联合团队开发了一种小型、灵活的绷带，可以轻柔地包裹受伤部位。智能再生系统的一侧包含两个电极：一个位于创面床顶部的微小花形电极和一个位于健康组织上的环形电极，用于包围整个伤口。该器件的另一侧包含一个用于为系统供电的能量收集线圈和一个用于实时更新的近场通信 （NFC） 系统，如图 3 所示。

图 3.一种可生物吸收、无需电池的无线电疗系统，旨在加速伤口愈合。（a） 器件结构及其部件，包括无线平台和钼电极。（b） 系统作图，显示能量收集和实时监控。（c） 电极之间的电场分布。（d） 从应用到完全生物吸收的器械生命周期。（图片：西北大学通过 Science Advances 提供)

如果需要，可以在此处找到对图 3 的更深入分析：

• （a） 安装在足部伤口上的瞬态、无线、无电池电疗系统示意图（左）和放大视图（右），突出了不同的组件。

• （b） 整个系统的运行图。（RF，射频;ISO、互连系统运行;LDO、低压差稳压器）

• （c） 正极 （+） 和负极 （−） 之间电场的有限元分析结果。比例尺，3 毫米。

• （d） 使用方式的示意图，伤口上的装置 （i） 愈合前和 （ii） 愈合后，（iii） 通过切割阳极的痕迹去除，（iv） 治疗一段时间后部分生物再吸收，以及 （v） 完全生物再吸收;半透明的橙色代表已愈合的皮肤。

该团队还包括传感器来评估伤口的愈合情况。该设备可以在没有电线的情况下远程作，允许医生决定何时应用电刺激并监测伤口的愈合进度。

医生可以通过测量穿过伤口的电流电阻来监测进展情况。电流测量值的逐渐减少与愈合过程直接相关。因此，如果电流仍然很高，医生就知道出了什么问题。

他们在 Science Advances 上的论文“用于伤口部位电疗和阻抗传感的生物可吸收、无线和无电池系统”中探讨了这项工作，其中还包括附加的补充信息;这里还有一个两分钟的视频。

#3 具有即时读数的汗液传感器

汗水是关于身体的有用信息的“金矿”。认识到它的优点，加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种薄、灵活且有弹性的汗液传感器，只需按一下手指，就可以显示葡萄糖、乳酸、钠或 pH 值的水平。

他们声称，这是第一款允许传感器独立运行的独立可穿戴设备，无需任何有线或无线连接到外部设备，即可直接可视化测量结果。这款小圆盘形贴片的设计包括可穿戴传感器所需的所有基本组件：两个集成电池、一个微控制器、传感器、电路和一个可拉伸显示器。

该设备的制造涉及九种不同的可拉伸油墨的配方，这些油墨用于打印电池、电路、显示面板和传感器。该器件逐层打印到可拉伸聚合物片材上，并与水凝胶和微控制器芯片组装成完整的器件。每种墨水都经过优化，以确保其与其他层的兼容性，同时平衡其电气、化学和机械性能，如图 4 所示。

图 4.一个完全集成的、可拉伸的表皮汗液感应贴片，带有电致变色显示屏。（a） 器件的逐层组成。（b） 系统流程和模块故障。（c） 贴片作，通过显示目标浓度 （i） 来显示用于表皮汗液感应的贴片。随电解液浓度和电位传感器读数 （ii） 以及 Ag 的间歇放电模式而变化的显示示意图₂O-Zn 电池电源 （iii）。（d） 在弯曲和拉伸下表现出机械耐久性，尤其是在拉伸互连和 MCU 之间的连接时。（图片：加州大学圣地亚哥分校通过 Nature Electronics 提供)

当施加负电压时，聚合物从浅天蓝色变为深海军蓝，并在施加正电压时变回原来。通过使用 PEDOT：PSS 调整油墨配方，他们可以使其可打印和可拉伸;补丁可以反复拉伸 20%，而不会影响其性能。

研究人员设计了一个由 10 个独立像素组成的显示面板，该面板被编程为通过打开不同数量的像素来显示化学物质的浓度。像素只需 500 毫秒即可改变颜色，因此它们平均仅消耗 80 微瓦的功率。