新型皮膚界面?zhèn)鞲衅髦圃旒夹g(shù)實(shí)現(xiàn)穿戴式人體健康監(jiān)測(cè)

皮膚界面穿戴式電子設(shè)備因其在預(yù)防監(jiān)測(cè)、診斷確認(rèn)和方便的治療選擇方面所起到的獨(dú)特作用而備受關(guān)注。這些生物集成設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際且方便的最終應(yīng)用，取決于人體傳感器與無線傳輸模塊的無縫集成。

多功能人體傳感器可以精確、連續(xù)地監(jiān)測(cè)人體健康狀況，而無線傳輸模塊可以為傳感器無線供電，并將傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍┽t(yī)護(hù)人員使用。

柔體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)是這類集成系統(tǒng)的一個(gè)有前途的發(fā)展方向，它包括用于生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的人體傳感器和用于信號(hào)調(diào)節(jié)/讀出和無線傳輸?shù)娜嵝杂∷㈦娐钒澹╢lexible printed circuit boards, FPCBs）。

柔體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)目前依賴于各種復(fù)雜的制造技術(shù)，包括光刻、轉(zhuǎn)移印刷到直接印刷，尤其是與讀出電路分立的可拉伸傳感器。

研究人員一直在努力探索穿戴式電子設(shè)備在紙張/織物或人體皮膚上的集成。然而，在皮膚紋理表面進(jìn)行低溫處理同時(shí)還需要易于去除頗具挑戰(zhàn)性，目前缺少一種簡(jiǎn)單而通用的方法來制造與柔體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的所有模塊。

由于該領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的程序，并且會(huì)增加電子垃圾，因此開發(fā)一種新的制造技術(shù)以應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)顯得尤為迫切。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（Harbin Institute of Technology）共同合作的一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，研究人員目前正在開發(fā)一種簡(jiǎn)單但普遍適用的皮膚界面?zhèn)鞲衅髦圃旒夹g(shù)。

研究成果被發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上，題目為“室溫下直接燒結(jié)于皮膚表面的穿戴式電路，可用于健康監(jiān)測(cè)”（Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring）。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所工程科學(xué)和力學(xué)助理教授Huanyu Cheng指出，“我們這項(xiàng)工作的核心創(chuàng)新之一是設(shè)計(jì)和演示了一種新型燒結(jié)助劑層，可實(shí)現(xiàn)各種金屬油墨的直接印刷和室溫?zé)Y(jié)，用于構(gòu)建基于紙張/織物的柔性印刷電路板和人體傳感器。與其他需要幾百攝氏度的替代方法相比，這種方法可以在低溫甚至室溫下燒結(jié)金屬納米顆粒?！?br />
該團(tuán)隊(duì)的制造方案依賴于一種由粘合劑聚乙烯醇（PVA）和納米添加劑（如二氧化鈦TiO2或碳酸鈣CaCO3等）組成的燒結(jié)助劑層。

他們解釋道，先前發(fā)表的文獻(xiàn)表明，當(dāng)在包含二氧化鈦為主要成分的耐高溫紙上燒結(jié)銀納米顆粒油墨時(shí)，燒結(jié)溫度會(huì)從180℃降低到120℃。

Cheng補(bǔ)充道，“因此，我們選擇二氧化鈦添加劑開始我們的研究，因?yàn)樗兄诮档碗姾芍泻秃蟮臒Y(jié)溫度，從而降低強(qiáng)化燒結(jié)的活化能。由于電荷中和需要陽(yáng)離子基團(tuán)，因此我們選擇了其他幾種金屬氧化物（氧化鋁Al2O3，氧化鎂MgO），鹽（碳酸鈣CaCO3，鈦酸鋇BaTiO3）和金屬（銅Cu）作為添加劑來驗(yàn)證這一概念。添加碳酸鈣后，燒結(jié)溫度進(jìn)一步降至室溫。”

“通過實(shí)驗(yàn)和相場(chǎng)模擬，我們發(fā)現(xiàn)燒結(jié)助劑層的使用降低了銀納米顆粒的燒結(jié)溫度，這是因?yàn)殡姾芍泻妥饔锰岣吡司Ы鐢U(kuò)散系數(shù)。燒結(jié)助劑層還降低了各種基底的表面粗糙度，從而使印刷出來的超薄金屬圖案層具有更好的機(jī)電性能，可以抵抗各種機(jī)械形變，如彎曲或折疊?！?br />
研究人員將他們的制造方案應(yīng)用于生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的皮膚印刷傳感器，以及基于紙張/織物用于信號(hào)調(diào)理/讀出和無線傳輸?shù)娜嵝杂∷㈦娐钒濉?br />
為了說明其技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)示例，他們將各種人體傳感器與柔性印刷電路板集成在一起，如下所示。

由各種人體傳感器和柔性印刷電路板組成的柔體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理圖和概念驗(yàn)證演示：a）柔體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)概念。服裝上基于紙張/織物的柔性印刷電路板可以集成無線數(shù)據(jù)和功率傳輸模塊（例如，藍(lán)牙或近場(chǎng)通信模塊），以及用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集和處理的商用現(xiàn)成芯片（綠色框圖）。紅色框圖說明了在室溫下燒結(jié)的直接印刷人體傳感器的制備過程；b）配備多個(gè)直接印刷并燒結(jié)在皮膚表面上的人體傳感器（如電極，溫度/水合傳感器）的手部照片；c）血氧飽和度測(cè)量裝置，由一個(gè)紅外發(fā)光二極管（LED）和指尖上的光電二極管組成；d）紙基柔性印刷電路板，包含SL900A UHF RFID傳感IC芯片和天線

該電子系統(tǒng)包括用于生命信號(hào)測(cè)量，可以直接印刷在人體各個(gè)部位的傳感器，用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)收集和處理的商用現(xiàn)成芯片，無線數(shù)據(jù)和功率傳輸模塊，以及用于系統(tǒng)集成的基于紙張/織物的柔性印刷電路板。

Cheng表示，“我們證明了我們的高性能皮膚印刷傳感器可以精確、連續(xù)地捕獲溫度、濕度或局部濕度變化、血氧飽和度、電生理信號(hào)（如心電圖和肌電圖）等。與商用同類產(chǎn)品相比，這些皮膚印刷傳感器具有更高的信號(hào)質(zhì)量和更好的性能，結(jié)合其它擴(kuò)展模塊可以為健康監(jiān)測(cè)提供一系列穿戴式電子產(chǎn)品?！?br />
他補(bǔ)充道，“此外，該系統(tǒng)具有生理信號(hào)監(jiān)測(cè)和無線傳輸人體傳感器模塊，可用于監(jiān)測(cè)新冠肺炎（COVID-19）患者的病情進(jìn)展和嚴(yán)重程度，非常適用于全球疫情防控。”

當(dāng)這種穿戴式設(shè)備進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠謺r(shí)，移除和環(huán)保處理就成為了一大問題。為此，研究人員證明了用溫水洗手即可很方便地將設(shè)備從皮膚上移除。

此外，設(shè)備系統(tǒng)中利用的材料具有生物相容性，且毒性極小，這使其可以用于綠色電子設(shè)備，生物集成電子設(shè)備甚至可植入設(shè)備。

人體傳感器的移除和處置演示：a）薄膜人體傳感器在不同溫度喝時(shí)間下的溶解情況：（i）室溫下在水中保持穩(wěn)定；（ii）60°C以上開始分解；（iii）攪拌5分鐘后完全溶解；b）人體傳感膜剝?nèi)r(shí)對(duì)皮膚影響可忽略不計(jì)，移除非常方便；c）連續(xù)的照片顯示，通過用溫水沖洗雙手，可以輕松地將傳感器從皮膚上移除

Cheng及其合作者希望將這種多功能、穿戴式的傳感技術(shù)應(yīng)用于心肺疾?。ò–OVID-19，肺炎和肺纖維化疾?。┑脑\斷確認(rèn)和及時(shí)治療。

他們指出，憑借出色的機(jī)電性能和水下性能，這種傳感技術(shù)還可用于跟蹤和監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物。

Cheng解釋道，“能夠長(zhǎng)期舒適地穿戴的傳感設(shè)備對(duì)透氣性和透水性都提出了需求，因此，優(yōu)異的水下性能與密封似乎是相互矛盾的。我們正在探索具有多孔結(jié)構(gòu)，支持選擇性封裝的新型燒結(jié)層來解決這一挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)可以與在水中浸泡后已證明其穩(wěn)定性的設(shè)備進(jìn)一步結(jié)合。”

目前的研究只是該研究小組中心工作的一個(gè)例子，這個(gè)研究小組的工作重心是利用低成本的技術(shù)制造自供電、無線、多功能的系統(tǒng)。

針對(duì)自供電設(shè)備，他們的項(xiàng)目之一集中在可拉伸的整流天線上，用于收集環(huán)境射頻能量，為電池充電或?yàn)殡娮釉O(shè)備供電。針對(duì)多功能設(shè)備，他們也致力于研發(fā)可拉伸的氣體傳感器，用于檢測(cè)人體和暴露環(huán)境中的氣態(tài)生物標(biāo)志物。

另一個(gè)項(xiàng)目涉及可替代的低成本制造方法，該方法可以在3D曲線自由曲面上直接制造可生物降解且持久的傳感器。

這些不同工作領(lǐng)域的邏輯擴(kuò)展涉及到將穿戴式設(shè)備與大數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，服務(wù)于未來的健康信息學(xué)。

Cheng總結(jié)道，“這些多樣化的未來方向的跨學(xué)科性質(zhì)需要臨床醫(yī)生和具有不同背景的工程師共同努力，以幫助促進(jìn)這一新興領(lǐng)域的快速發(fā)展?！?/p>