中科院上海微系統所陶虎團隊Adv. Mater.：用于獲取人體生理特征的親膚電子設備

【引言】

表皮電子產品是一類新興的可穿戴電子設備，它安裝在人體皮膚上，通過面接觸實現皮膚-傳感器直接交互，連續表征皮膚的重要形態、生理和代謝參數，為實時健康和健身監測提供了巨大潛力。理想的安裝在皮膚上的裝置應該自然地與表皮保持適形接觸，并對從事劇烈和長時間體力活動的人體物體有足夠的附著力。大多數的表皮裝置是通過范德華力附著在皮膚上的，而范德華力對皮膚上的水分、油脂和毛發是無效的，尤其是在可能持續數小時甚至數天的劇烈運動中。通過改進/優化器件襯底的機械性能、厚度和結構設計，已經投入了大量的精力來增加附著力。然而，就像許多皮膚粘接劑和透皮貼劑一樣，許多皮膚貼附裝置的強粘接劑設計通常在使用后導致難以剝離，造成皮膚刺激、疼痛，甚至在使用時對傷口造成繼發性損害。設計具有強附著力和易于分離性能的表皮器件的策略還有待開發。此外，在長時間的戶外活動中，惡劣和多變的條件可能會影響這些表面安裝設備的準確性和可靠性。大多數設計都忽略了表皮器件的這些重要方面，阻礙了它們在現實世界中的應用。

【成果簡介】

近日，在中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院大學、上海科技大學、上海張江實驗室腦與智能科技研究院、上海腦科學與類腦研究中心陶虎研究員團隊（通訊作者）帶領下，報告了一套由物理和生化傳感器組成的可降解表皮電子設備，可以監視多維生理參數，如心電圖（ECG）、眼電圖（EOG）和肌電圖（EMG）以及溫度、應變、濕度和細菌感染。利用人工神經網絡（ANN），可以檢測到幾乎不受個體差異影響的重要生理特征。此外，盡管在皮膚電子設備上進行了許多努力，以增強設備的粘附力、保形性和可靠性，但團隊專注于開發具有強粘附力和易剝離特性的表皮設備，這些設備適用于獲取多維生理信號。對于皮膚敏感的人群（包括嬰兒和皮膚病患者），這些對親膚的電子產品在許多日常體育鍛煉和臨床相關場景中必不可少；這使得它們可用于敏感、脆弱甚至受傷的皮膚區域，而不會造成不良影響。相關成果以題為“Skin‐Friendly Electronics for Acquiring Human Physiological Signatures”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?親膚的GEPC基TEE獲取生理狀態的示意圖

a）為實現預期目標而提出的總體戰略框架。

b）受試者前臂上可穿戴TEE的照片。藍色和灰色虛線分別給出了透明GEPC基板和電極的輪廓。

c）TEE結構示意圖，包括一個用于電生理監測的AgNWs電極和兩個用于化學生理監測的R-EDG的傳感器。一個R-EDG-傳感器提供參考信號，以消除由于皮膚溫度（Temp.）、相對濕度（RH.）波動以及身體運動引起的干擾。另一個R‐EDG‐傳感器經過了抗菌肽（稱為BR‐EDG）的生物修飾，以定量監測皮膚上細菌的存在。在提供使用ANN算法獲取生理特征的多維數據集之后，可以觸發TEE分解。

d）水觸發和熱調制瞬態示意圖。

e）下不同甘油重量比的GEPCs在50％RH.下的拉伸應力-應變曲線。插圖：人體皮膚組織的年齡依賴性強度。

f）附著在豬皮襯底上的GEPC薄膜的代表性附著力曲線，在水處理前/期間附著力強，處理后容易脫落。上插圖，實驗裝置示意圖。下插圖，展示了GEPC膜（3×3 cm²）在毛發皮膚上完全支撐400 g的質量，而不會在水引發的脫離后留下粘性殘留物或引起炎癥反應。

g）GEPC膜在水處理前/期間/后的剝離力與位移的關系圖。插圖：實驗裝置示意圖。

h）商業貼劑在皮膚剝離期間/后會造成嚴重皮膚損傷與團隊的可觸發的分離設計（無損傷且環保）的比較。

圖2?TEE的性能表征

a）表皮電極的薄膜電阻是施加到AgNWs的負載的函數。插圖：電極在頻域中的阻抗。

b）當表皮電極經受周期性彎曲時的歸一化電阻變化。插圖：松開（左）和彎曲配置（右）。

c）當表皮電極在環境條件下存儲時的歸一化電阻變化。插圖：在8×8點網格上測得的薄膜電阻的面積圖。

d）在拉伸應力作用下，R‐EGD傳感器的歸一化電阻變化和相應的應變系數。插圖：循環應變測試。

e）R‐EGD傳感器隨溫度和濕度的歸一化電阻變化。

f）不同大腸桿菌濃度（CFU mL^-1）下的BR‐EGD傳感器的歸一化電阻變化的實時響應。插圖：示意圖顯示了BR‐EDG與致病菌的結合。

圖3?TEE在水完全濕潤后分解和在完全脫水后迅速降解

a）瞬態過程的化學變化示意圖。

b）GEPC基電極在水處理和后續脫水過程中歸一化電阻和相應的歸一化質量。

c）演示了GEPC基電極（粘貼在紙上）在電路中將電源連接到發光二極管的瞬態過程中的電導率變化。

d）在完全濕潤的條件下，使用GEPC基電極和商用貼片監測EMG信號。灰色區域描述運動發生的時間。

e）GEPC基傳感器的熱調制瞬態壽命。左圖：脫水過程中由水引發的收縮導致電阻下降，隨后伴隨設備的分解電阻迅速增加。右面板是可見光和紅外光下R‐EDG型傳感器的照片，可作可穿戴加熱器，通過連接5 V電源來調節瞬態壽命。

圖4 從TEE設備收集的多維信號中獲取生理特征

a）示意圖說明了用于從輸入信息中識別生理狀態的算法架構。ECG、EMG和EOG通過電極獲得。EBG由R‐EDG型傳感器作為校準（控制），BR‐EGD型傳感器進行監控。圖的右側概要地描述了ANN的體系結構和四種典型的輸出分類。生理狀態是劇烈的（運動前）、運動、疲倦（運動后）和刺激的（攝入興奮劑，例如咖啡因）。

b）通過一組貼于不同部位的TEE監測運動過程中典型的電生理信號。

c）將傳感器的電阻和校準結果歸一化，顯示運動期間和運動后汗液誘導的皮膚細菌信號增加。灰色區域表示對象運行的時間。

d）訓練后模式識別ANN的測試混淆矩陣，最優化精度高達96.9％。

e）使用訓練后的ANN對受試者在24小時內的日常運動的新輸入進行分類。受試者從第1小時開始跑步到第2小時，并在第4小時飲用含咖啡因的能量飲料。

【小結】

團隊已經證明了使用絲蛋白作為生物相容性和水可分解表皮電子器件的瞬時底物進行實時多模式生理監測的能力，從而能夠實現牢固的附著力和易于剝離的能力。 與其他表皮器械相比，我們的器械在日常應用中具有優勢，原因如下：1）在干燥、潮濕、油性和多毛的皮膚上具有強附著力，以及水引發的剝離，在剝離過程中不會對皮膚造成刺激、疼痛或損傷；2）設備在潮濕環境下的附著力和傳感性能良好；3）設備幾乎對環境變化不敏感，采用雙傳感器和自參考設計進行現場校準；4）通過電和生化傳感器測量的多維生理參數，可以使用ANN算法進行更準確、更可靠的分析。所使用的蠶絲蛋白以其光學透明性、生物相容性、生物可吸收性、機械強度和柔韌性以及相對豐富和低成本的優點而聞名。重要的是，通過適當摻雜不同的分子用于不同的診斷和治療目的(如傷口愈合和藥物控釋)，絲蛋白和絲基器件可以很容易地功能化。團隊的進展為一套新的生物兼容性、保形性、粘合性、用戶友好和環境友好的表皮裝置提供了一條有前途的道路。

文獻鏈接：Skin‐Friendly Electronics for Acquiring Human Physiological Signatures（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201905767）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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