"纹身贴皮电路"：未来在皮肤上画个电路就能监测身体健康状况

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导读

从人体皮肤中准确提取生理和物理信号对于健康监测、疾病预防和治疗至关重要。可穿戴生物电子学的最新进展直接嵌入到表皮表面是未来表皮传感的一个很有前途的解决方案。然而，现有的可穿戴生物电子学容易受到运动伪影的影响，因为它们在运动过程中缺乏与皮肤的适当粘附和共形界面。于此，休斯敦大学(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组提出了超保形、可定制、可变形的画在皮肤上（drawn-on-skin, DoS）的电子设备，它是一种新型的生物医学电路，可以直接附着在皮肤上的电子墨水具有很强的附着力和超适形性，具有强大的运动稳定性。

该项研究已经发表在《Nature Communications》杂志上。

Dos电路与常见的手环型、贴片型可穿戴器件不同，它可以直接用圆珠笔“写”在人的皮肤上的。

而写在皮肤上的正是Dos电路的关键核心--电子墨水。这些不同材料的电子墨水分别会被用作导体、半导体和电介质。

将电子墨水直接写在皮肤上，可以让液态墨水完全契合皮肤的纹理，这样电路就能不受运动影响能时刻贴合在人体皮肤上。

在该项研究中，研究人员通过将Ag(银)和PEDOT：PSS溶液(一种导电率很高的高分子聚合物水溶液)混合来制备电子墨水(导电油墨)，通过3：7体积混合的C10H12(四氢萘)和C6H10O(环己酮)来制备P3HT-NF半导体油墨，通过PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)，[EMIM] [TFSI](1乙基3甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)和C3H6O(丙酮)以1：4：7的重量比混合制备离子凝胶电介质油墨。

下图为具有导电和半导电油墨的DoS电子平台。(a) DoS电子设备的绘图过程始于(i)将胶带固定在皮肤上的蜡纸附件(比例尺1厘米)，(ii)绘图设备的模板，改进的圆珠笔和墨水(比例尺5毫米) 插图是一个特写镜头（比例尺为1毫米)，(iii)移除模板(比例尺为2厘米)，以及(iv)干燥后的完整设备(比例尺为1厘米)。

(b) DoS集成系统示例，包括在人体皮肤上绘制的电阻器，晶体管，加热器，EP(电生理)传感器，温度传感器，应变传感器和皮肤水合作用传感器(比例尺5 mm)。插图中显示了导体的相应模板(比例尺为1 cm)。

目前，研究人员已经将Dos在皮肤复制品上进行过整体操作。首先用聚酰亚胺薄膜和透明胶制造出电极所需形状的镂空模板，然后使用笔尖直径为1mm的改进的圆珠笔将导电油墨在模板皮肤上绘制出源电极(起集电作用的电极)和漏电极(起发射作用的电极)，在室温下干燥3~5分钟。

在使用改进的圆珠笔绘制电路时，笔尖无需接触皮肤就可以将墨水绘制上去，因为笔尖被制成了弯月面，所以笔的运动会在弯月面上产生剪切力，从而使墨水扩散到整个皮肤表面。在墨水干燥并去除模板后，将另一个模板放置在复制皮肤上，以用半导体油墨填充，同样干燥5分钟。最后再使用相应的模板把电介质油墨填充在晶体管的源电极和漏电极之间的沟道上。

性能测试，非常强大的"电子纹身贴"

研究人员对Dos电路的性能做了大量的测试，包括对皮肤拉扯、人体出汗等外部条件对Dos上传感器的影响都做了测试，实验结果表明Dos在各种正常的使用情况下的性能还是很强大的。

1.皮肤测试

研究人员首先将电路图上涵盖的包括晶体管、应力传感器、电生理传感器、温度传感器以及皮肤水分传感器等器件在皮肤被拉扯的条件下进行了测试。结果显示Dos集成系统在进行拉伸和压缩后没有任何物理损坏痕迹。

为了检验皮肤对电子墨水的反应，避免人类将墨水涂到皮肤上时候出现不耐受反应，研究人员将电子墨水涂抹在了剔除皮毛的小白鼠背部，然后提取皮肤样品并通过组织学染色程序进行评估。结果表明绘制过电子墨水的小鼠皮肤并没有恶化，或产生发炎的症状。

上面的两个测试表示了Dos设备具有的超适形和可变形性。

2.汗液、耐久性测试

研究人员为了确定Dos传感器与现有传感器相比具有优势，对比了Dos电极、医院级凝胶电极以及350nm超薄网状电极在不同条件下测量人体皮肤电生理信号时的性能。

如上图所示，在出汗之前和期间，DoS电子设备和现有心电图检测技术的比较。(a)DoS EP传感器(左，比例尺2mm)，在出汗前(中)和出汗时(右)记录心电图信号。(b)凝胶电极(左，比例尺1cm)，在出汗前(中)和出汗时(右)记录心电图信号。(c) 网状电极(左，比例尺5mm)，在出汗前(中)和出汗时(右)记录ECG信号。

经过对比，研究人员发现，Dos传感器获得的ECG信号在所有测量时间点上都较为一致，在皮肤出汗情况下测试、耐久测试等都表现出更好的性能。

通过以往的研究可知较薄的传感器不太容易受到运动伪影的影响，因此研究人员在针对运动伪影影响的测试中，用前文提到的包括Dos在内的三种电极测试了皮肤在被间隔性拉伸或收缩，以及处于振动条件下的心电图信号，使用DoS电子设备进行的无运动伪影感测，如下图所示。

(a)在局部拉伸/释放周期(左)和压缩/释放周期(右)，DoS EP传感器记录的ECG信号(中间)。橙色条条表示拉伸运动的持续时间，蓝色条条表示压缩运动的持续时间，绿色条条表示释放运动的持续时间。(b)在局部拉伸/释放循环(左)和压缩/释放循环(右)期间，凝胶电极记录的ECG信号(中间)。红色箭头表示伪影。(c)在局部拉伸/释放周期(左)和压缩/释放周期(右)期间，从网状电极记录的ECG信号(中间)。红色箭头表示伪影。(d)随手臂振动引起的运动记录静息EMG信号。粉色条表示DoS EP传感器(顶部)，凝胶电极(中间)和网状(底部)电极打开VM的持续时间。对于DoS EP传感器(顶部)，凝胶电极(中间)和网状(底部)电极，静止的EMG信号的TF映射以及振动引起的运动。粉色条和红色线表示振动的持续时间。

实验结果表明，相对于另外两种器件，Dos电极对于抑制运动伪影的影响以及提高信噪比等方面有明显的优势。

结论

通过以往的研究可知较薄传感器受运动伪影影响更小、脉冲电愈合伤口、便捷可携带等优势，所以类似于"纹身"类的电路和电子产品很有可能会成为柔性可穿戴设备的新思路。

参考论文

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17619-1

参考|智东西