四川大學王竹卿/吳曉東Small: 基于皮膚原位印刷的生理壓力與表皮電位協同監測

一、研究背景

柔性可穿戴傳感器可以緊密貼合人體皮膚表面，用于實時監測一系列重要的生理信號，包括表皮壓力/應變/振動、體溫、生物電信號，如心電圖（ECG）、肌電圖（EMG）、腦電圖（EEG）等。但目前報道的多數傳感器功能單一，僅限于一種目標信號檢測，如壓力、應變、生物電位等，極大地限制了它們在不同場景中的應用。近年來，為了滿足多樣化的應用需求，開發了可用于檢測多個目標信號的多功能傳感設備。然而，這些多功能傳感器往往需要昂貴的制備工藝，繁復的器件構型和復雜的材料體系，嚴重阻礙了多功能傳感器的大規模制備和廣泛應用。因此，如何平衡可穿戴傳感器的功能多樣性和制備簡易性，對其實際應用具有重要意義。

二、文章簡介

近日，四川大學機械工程學院的王竹卿教授和吳曉東研究員提出了一種簡化的傳感器模式，基于單組分材料體系，通過簡單的溶液加工工藝，實現了在皮膚表面原位印刷并組裝多功能傳感器，用于同時監測生理壓力和表皮電位。通過合理的材料組分調節和微觀結構設計，所制備的多功能傳感器具有高壓力靈敏度（705.9 kPa^?1）和極低的皮膚界面阻抗（3.09 kΩ@10 kHz），具有良好的機械傳感和生物電傳感能力。將多功能傳感器原位印刷并組裝在人體皮膚表面，可以實時監測不同狀態下的動脈脈搏壓力和表皮生物電信號（ECG和EMG），在健康監測和疾病診斷等領域具有廣泛的應用前景。同時，這種材料設計策略和溶液加工工藝同樣適用于其他材料體系，具有良好的普適性。本文提出的這種簡化的、多功能的傳感器模式為構建未來智能可穿戴設備，提供了一種新的設計理念。

研究相關成果以“Synergetic Monitoring?of both Physiological Pressure?and Epidermal Biopotential Based on a Simplified on-Skin-Printed Sensor Modality”為題，發表在國際知名期刊《Small》上（1區Top期刊，影響因子13.3），論文第一作者為四川大學機械工程學院2022級博士研究生宋洋洋同學。

三、研究內容

圖1 多功能傳感器的設計思路。傳感器由兩個主要部分組成，包括一對超薄生物電極和微結構機械傳感層，人體皮膚作為整個傳感器的基底。超薄生物電極原位印刷到皮膚基底上，用于生物電位傳感和機械傳感。在表皮生物電極上組裝微結構機械傳感層，構建可以檢測生理壓力的機械傳感器。值得注意的是，整個多功能傳感器的構建僅使用WPU和MXene兩種材料。其中，高導電性WPU/MXene-1用于制備表皮生物電極，監測表皮電位。高電導率確保高保真信號的采集。采用WPU/MXene-2構建彈性微結構機械傳感層，使傳感器具有良好的循環穩定性。在腕部原位印刷并組裝多功能傳感器，通過表皮電極可以采集心電信號，同時通過機械傳感器測量脈搏壓力信號。這種布局簡單，但功能豐富的傳感器模式，可以同時監測多種至關重要的生理信號，在健康檢測和疾病診斷領域表現出廣泛的應用前景。

圖2 多功能傳感器的制備流程和工作原理。傳感器是通過簡單的溶液加工工藝制備的，通過合理的材料選擇和結構設計，制備了超薄的生物電極和微結構壓力傳感層。高電導率的生物電極可以緊密貼合皮膚表面，具有低電極-皮膚界面阻抗，且長時間佩戴對人體皮膚無害。機械傳感層具有高度的均勻性和周期性的微觀結構。壓縮過程中微結構機械傳感層和表皮電極之間的界面電阻發生改變，揭示了機械傳感器的工作原理。

圖3 多功能傳感器的壓力傳感性能。通過合理調控微結構機械傳感層的材料組分，制備了具有高靈敏度（705.9 kPa^?1）、低檢測限（21.2 Pa）、快速的響應和恢復，以及良好的循環穩定性的機械傳感器。

圖4 皮膚表面原位印刷的生物電極監測表皮電位。高電導率的表皮生物電極可以檢測到高質量的ECG和EMG信號。

圖5 通過生物電極監測EMG信號。皮膚表面原位印刷的生物電極不僅可以檢測并區分不同握力時產生的EMG信號，還可以檢測運動過程中不同肌肉群的產生的EMG信號強度。

圖6 通過單個傳感器同時監測ECG和脈搏壓力。在手腕位置原位印刷并組裝了多功能傳感器，通過生物電極可以監測到ECG信號，同時通過機械傳感器檢測動脈脈搏壓力。通過兩種生理信號的協同監測，可以實時并準確地監測不同運動狀態下心率的變化。

四、結論與展望

本工作提出了一種皮膚上原位印刷的簡化傳感器模式，基于單組分材料體系，并通過簡單的溶液加工工藝，制備了可以同時感知生理壓力信號和表皮生物電位的多功能傳感器，同時實現了傳感器的功能多樣性和制備簡易性。這種新型傳感器模式對多種材料體系具有普適性，在實時健康監測、運動狀態檢測和疾病早期預防與診斷等領域具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202303301