近日，美國(guó)休斯敦大學(xué)的余存江（Cunjiang Yu）教授課題組研發(fā)了一種新型的生物醫(yī)學(xué)電路——超保形皮膚電子設(shè)備（Dos），這種電路的功能類似于我們平常使用的可穿戴設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)人的身體狀況。但與手環(huán)型，甚至貼片型可穿戴器件不同的是，這種電路是直接用圓珠筆“寫(xiě)”在人的皮膚上的。

這項(xiàng)研究以《超保形皮膚電子設(shè)備，用于多功能運(yùn)動(dòng)無(wú)偽像感測(cè)和即時(shí)護(hù)理（Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment）》為題發(fā)表在了《自然通訊（Nature Communications）》雜志上。

▲余存江教授課題組在《自然通訊》上發(fā)表的論文

如今越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到通過(guò)可穿戴設(shè)備，從人體皮膚中準(zhǔn)確提取生理和物理信號(hào)對(duì)于健康監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防和治療至關(guān)重要。

然而當(dāng)前打著“運(yùn)動(dòng)必備”旗號(hào)的可穿戴電子設(shè)備，往往只能在人體處于靜態(tài)的條件下保持優(yōu)質(zhì)信號(hào)，而當(dāng)人體處于劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些設(shè)備采集到的信號(hào)很容易受到極大干擾，也就是醫(yī)學(xué)上說(shuō)的運(yùn)動(dòng)偽影現(xiàn)象。

即使計(jì)步器將走路4000步記錄成4200步“問(wèn)題不大”，但其他有關(guān)心臟功能、溫度等的健康檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致大問(wèn)題。

運(yùn)動(dòng)偽影極大阻礙了可穿戴電子設(shè)備在日常生活和醫(yī)療中的應(yīng)用，如何減輕甚至是消除運(yùn)動(dòng)偽影是可穿戴電子領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，科學(xué)家們也一直沒(méi)有停止對(duì)消除運(yùn)動(dòng)偽影的努力，此前在2015年也有論文表示可以通過(guò)濾波器來(lái)消除運(yùn)動(dòng)偽影。

而余存江教授課題組新研發(fā)的“皮膚上繪制的電子產(chǎn)品”不僅可以在用于檢測(cè)肌肉信號(hào)、心率、溫度和皮膚水分等生理電信號(hào)的時(shí)候，不受運(yùn)動(dòng)偽影的影響，還可以用于促進(jìn)任意形狀皮膚傷口的愈合。

▲余存江教授 圖源：余存江在浙大講座時(shí)的海報(bào)圖片

這種畫(huà)在皮膚上的電路的制備甚至不需要任何復(fù)雜的儀器，只用一根圓珠筆灌上各種電子墨水，再輔以電路模板就可以在皮膚上直接寫(xiě)出各種電路。

整體來(lái)看，這種電路目前依舊扮演的是傳感器的角色，通過(guò)不同的電路形狀以獲取不同方面的人類健康。在論文中，也并沒(méi)有明確提出這一電路的供電方式，以及傳輸處理途徑，由此看來(lái)想要將這一電路產(chǎn)品化還需要很長(zhǎng)的路要走。但盡管如此，這種畫(huà)在皮膚上的電路形式還是為柔性可穿戴領(lǐng)域提供了一種新的思路。

那么這種新奇的“貼皮”式電子產(chǎn)品是如何畫(huà)上去的？用電子墨水畫(huà)上電路圖就真的可以替代可穿戴器件嗎？它是否能適應(yīng)人類皮膚超強(qiáng)的延展性？電路怎么能幫助傷口愈合呢？

讓我們帶著這些疑問(wèn)，一起來(lái)看看休斯頓“大佬”們新研發(fā)出的可穿戴神器。

一、難畫(huà)好卸的電路原料：電子墨水

Dos電路的“靈魂”非它的電子墨水莫屬了，這些不同材料的電子墨水分別會(huì)被用作導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)。將電子墨水直接寫(xiě)在皮膚上，可以讓液態(tài)墨水完全契合皮膚的紋理，從而使電路更加緊密、牢固，且不受運(yùn)動(dòng)影響能時(shí)時(shí)貼合在人體皮膚上。

那么這種能畫(huà)出可充當(dāng)穿戴器件監(jiān)測(cè)人體狀況電路圖的墨水到底是由什么制成的？

論文中寫(xiě)道，研究人員會(huì)通過(guò)Ag（銀）和PEDOT：PSS溶液（一種導(dǎo)電率很高的高分子聚合物水溶液）混合來(lái)制備導(dǎo)電油墨，通過(guò)3：7體積混合的C10H12（四氫萘）和C6H10O（環(huán)己酮）來(lái)制備P3HT-NF半導(dǎo)體油墨，通過(guò)PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯），[EMIM] [TFSI]（1乙基3甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽）和C3H6O（丙酮）以1：4：7的重量比混合制備離子凝膠電介質(zhì)油墨。

目前Dos已經(jīng)在皮膚復(fù)制品上進(jìn)行過(guò)整體操作。首先用聚酰亞胺薄膜和透明膠制造出電極所需形狀的鏤空模板，然后使用筆尖直徑為1mm的改良圓珠筆將導(dǎo)電油墨在模板皮膚上繪制出源電極(起集電作用的電極)和漏電極（起發(fā)射作用的電極），在室溫下干燥3~5分鐘。

由于筆尖被制成了彎月面，所以筆尖不需要接觸皮膚就可以將墨水繪制上去，筆的運(yùn)動(dòng)會(huì)在彎月面上產(chǎn)生剪切力，從而使墨水?dāng)U散到整個(gè)皮膚表面。

在墨水干燥并去除模板后，將另一個(gè)模板放置在復(fù)制皮膚上，以用半導(dǎo)體油墨填充，同樣干燥5分鐘。最后再使用相應(yīng)的模板把電介質(zhì)油墨填充在晶體管的源電極和漏電極之間的溝道上。

▲Dos電路制備流程

就像化妝一樣，Dos難畫(huà)卻好卸，使用濕紙巾和常規(guī)的洗手液就可以直接擦掉皮膚上的Dos電子設(shè)備，因此人們大可不必有這個(gè)“紋身”一樣的電路不好去除的擔(dān)憂。

二、倔強(qiáng)“電子紋身貼”：拉扯皮膚出汗都不掉

Dos各方面性能優(yōu)于普通的貼片式可穿戴器件的結(jié)論并不是空口無(wú)憑。

休斯頓大學(xué)的研究人員對(duì)皮膚拉扯、人體出汗等外部條件對(duì)Dos上傳感器的影響都做了測(cè)試，結(jié)果表明Dos在各種正常的使用情況下的性能還是很“抗打”的。

1.皮膚測(cè)試

研究人員首先將電路圖上涵蓋的包括晶體管、應(yīng)力傳感器、電生理傳感器、溫度傳感器以及皮膚水分傳感器等器件在皮膚被拉扯的條件下進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示Dos集成系統(tǒng)在進(jìn)行拉伸和壓縮后沒(méi)有任何物理?yè)p壞痕跡。

▲拉扯扭曲戳動(dòng)無(wú)損壞

為了檢驗(yàn)皮膚對(duì)電子墨水的反應(yīng)，避免人類將墨水涂到皮膚上時(shí)候出現(xiàn)不耐受反應(yīng)，研究人員將電子墨水涂抹在了剔除皮毛的小白鼠背部，然后提取皮膚樣品并通過(guò)組織學(xué)染色程序進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明繪制過(guò)電子墨水的小鼠皮膚并沒(méi)有惡化，或產(chǎn)生發(fā)炎的癥狀。

▲f：對(duì)變形模式下Dos魯棒性（健壯性測(cè)試）g：電子墨水皮膚耐受測(cè)試

上面的兩個(gè)測(cè)試表示了Dos設(shè)備具有的超適形和可變形性。

2.汗液、耐久性測(cè)試

同時(shí)，為了確定Dos傳感器與現(xiàn)有傳感器相比具有優(yōu)勢(shì)，研究人員對(duì)比了Dos電極、醫(yī)院級(jí)凝膠電極以及350nm超薄蛇形網(wǎng)狀電極在不同條件下測(cè)量人體皮膚電生理信號(hào)時(shí)的性能。

通過(guò)對(duì)7小時(shí)內(nèi)的耐用性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Dos傳感器獲得的ECG信號(hào)（心電信號(hào)）在所有測(cè)量時(shí)間點(diǎn)上都相對(duì)一致，其在皮膚出汗情況下測(cè)試、耐久測(cè)試以及與皮膚的黏著力測(cè)試中都表現(xiàn)出超出其他器件的性能。

▲在出汗前和期間，Dos電子設(shè)備和現(xiàn)有的ECG感應(yīng)技術(shù)的比較

三、藍(lán)牙連接監(jiān)測(cè)心電圖，“貼皮”電路消除運(yùn)動(dòng)偽影

開(kāi)篇就提到Dos最重要的功能是用于人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，為此，研究人員設(shè)置了一套藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使Dos電路及傳感器可以對(duì)人體進(jìn)行無(wú)線心電圖信號(hào)監(jiān)控。

通過(guò)應(yīng)變傳感器和溫度傳感器，使用者可以了解到從皮膚上獲取的關(guān)鍵的生理信息。

▲皮膚復(fù)制品上的Dos設(shè)備的傳感器反應(yīng)

通過(guò)以兩個(gè)交叉的電極形式構(gòu)造而成的Dos皮膚水合作用傳感器，可以記錄皮膚抗阻，由此可以推斷出模擬表皮和真皮的水和作用水平。

▲皮膚和無(wú)線感應(yīng)上的Dos電子設(shè)備

Dos做成“貼皮”電路的一大重要因素，是為了消除以往可穿戴器件在用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“運(yùn)動(dòng)偽影”現(xiàn)象干擾健康數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

因?yàn)橥ㄟ^(guò)以往的研究已知較薄的傳感器不太容易受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響，因此研究人員在針對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影影響的測(cè)試中，用前文提到的包括Dos在內(nèi)的三種電極測(cè)試了皮膚在被間隔性拉伸或收縮，以及處于振動(dòng)條件下的心電圖信號(hào)。

▲使用Dos電子設(shè)備進(jìn)行的無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影感測(cè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于另外兩種器件，Dos電極對(duì)于抑制運(yùn)動(dòng)偽影的影響以及提高信噪比等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

四、電刺激加速皮膚愈合

除了在普通的可穿戴設(shè)備的身體情況監(jiān)控功能上升級(jí)，Dos的另一個(gè)明顯的用途在于，它可以應(yīng)用于任何形狀和大小的皮膚創(chuàng)傷治療。

例如，士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上遭到單片襲擊刺破皮膚，一般需要幾天到幾個(gè)月的時(shí)間才能完全痊愈。而此前有研究表明，對(duì)于皮膚的脈沖電刺激可以應(yīng)用于促進(jìn)傷口愈合。

因此研究人員嘗試使用Dos電極在一只脫了毛的小白鼠背部的傷患處繪畫(huà)電路，以進(jìn)行電刺激，與一只未經(jīng)電刺激處理傷患處的小白鼠進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

通過(guò)5天的觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)電刺激處理的小鼠患處的傷口寬度從1cm減小到了0.49cm，而經(jīng)過(guò)電處理的小鼠的1cm傷口寬度則直接減少到了0.2cm。

▲使用DoS電子設(shè)備加速皮膚傷口愈合

由此可見(jiàn)，受過(guò)電刺激的部分傷口較不處理的傷口愈合得更快，因此也驗(yàn)證了Dos可以應(yīng)用于即時(shí)皮膚創(chuàng)傷治療的可行性和可定制性。

論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17619-1#Fig3

結(jié)語(yǔ)：柔性可穿戴新思路

較薄傳感器受運(yùn)動(dòng)偽影影響更小、脈沖電愈合傷口、便捷可攜帶等優(yōu)勢(shì)，預(yù)示著像“紋身”一樣的“貼皮”電子產(chǎn)品逐漸成為了柔性可穿戴設(shè)備的新思路。

不僅是余存江教授課題組提出的Dos電路，早在今年3月份，密蘇里大學(xué)的研究人員也在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了一篇論文，也是描述了一種通過(guò)紙筆就能制成的畫(huà)在身上的可穿戴設(shè)備。

這種可穿戴設(shè)備就像可以和人類融于一體，及時(shí)了解使用者的身體狀況，而在不需要它的時(shí)候又隨時(shí)可以分解或是洗掉，稱得上是一種新的“可穿戴”福音。

不知未來(lái)經(jīng)過(guò)更加嚴(yán)格的測(cè)試，我們是否能在身上貼上這種奇特的“紋身貼”？