「神筆馬良」現身?皮膚上畫個電路圖就能監測健康

智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 信儀

智東西8月26日報導，近日，美國休斯敦大學的餘存江（Cunjiang Yu）教授課題組研發了一種新型的生物醫學電路——超保形皮膚電子設備（Dos），這種電路的功能類似於我們平常使用的可穿戴設備，可以監測人的身體狀況。但與手環型，甚至貼片型可穿戴器件不同的是，這種電路是直接用原子筆「寫」在人的皮膚上的。

這項研究以《超保形皮膚電子設備，用於多功能運動無偽像感測和即時護理（Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment）》為題發表在了《自然通訊（Nature Communications）》雜誌上。

▲餘存江教授課題組在《自然通訊》上發表的論文

如今越來越多的人認識到通過可穿戴設備，從人體皮膚中準確提取生理和物理信號對於健康監測、疾病預防和治療至關重要。

然而當前打著「運動必備」旗號的可穿戴電子設備，往往只能在人體處於靜態的條件下保持優質信號，而當人體處於劇烈運動時，這些設備採集到的信號很容易受到極大幹擾，也就是醫學上說的運動偽影現象。

即使計步器將走路4000步記錄成4200步「問題不大」，但其他有關心臟功能、溫度等的健康檢測數據記錄不準可能會導致大問題。

運動偽影極大阻礙了可穿戴電子設備在日常生活和醫療中的應用，如何減輕甚至是消除運動偽影是可穿戴電子領域的一大挑戰，科學家們也一直沒有停止對消除運動偽影的努力，此前在2015年也有論文表示可以通過濾波器來消除運動偽影。

而餘存江教授課題組新研發的「皮膚上繪製的電子產品」不僅可以在用於檢測肌肉信號、心率、溫度和皮膚水分等生理電信號的時候，不受運動偽影的影響，還可以用於促進任意形狀皮膚傷口的癒合。

▲餘存江教授  圖源：餘存江在浙大講座時的海報圖片

這種畫在皮膚上的電路的製備甚至不需要任何複雜的儀器，只用一根原子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出各種電路。

整體來看，這種電路目前依舊扮演的是傳感器的角色，通過不同的電路形狀以獲取不同方面的人類健康。在論文中，也並沒有明確提出這一電路的供電方式，以及傳輸處理途徑，由此看來想要將這一電路產品化還需要很長的路要走。但儘管如此，這種畫在皮膚上的電路形式還是為柔性可穿戴領域提供了一種新的思路。

那麼這種新奇的「貼皮」式電子產品是如何畫上去的？用電子墨水畫上電路圖就真的可以替代可穿戴器件嗎？它是否能適應人類皮膚超強的延展性？電路怎麼能幫助傷口癒合呢？

讓我們帶著這些疑問，一起來看看休斯頓「大佬」們新研發出的可穿戴神器。

一、難畫好卸的電路原料：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被用作導體、半導體和電介質。將電子墨水直接寫在皮膚上，可以讓液態墨水完全契合皮膚的紋理，從而使電路更加緊密、牢固，且不受運動影響能時時貼合在人體皮膚上。

那麼這種能畫出可充當穿戴器件監測人體狀況電路圖的墨水到底是由什麼製成的？

論文中寫道，研究人員會通過Ag（銀）和PEDOT：PSS溶液（一種導電率很高的高分子聚合物水溶液）混合來製備導電油墨，通過3：7體積混合的C10H12（四氫萘）和C6H10O（環己酮）來製備P3HT-NF半導體油墨，通過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醯亞胺鹽）和C3H6O（丙酮）以1：4：7的重量比混合製備離子凝膠電介質油墨。

目前Dos已經在皮膚複製品上進行過整體操作。首先用聚醯亞胺薄膜和透明膠製造出電極所需形狀的鏤空模板，然後使用筆尖直徑為1mm的改良原子筆將導電油墨在模板皮膚上繪製出源電極(起集電作用的電極)和漏電極（起發射作用的電極），在室溫下乾燥3~5分鐘。

由於筆尖被製成了彎月面，所以筆尖不需要接觸皮膚就可以將墨水繪製上去，筆的運動會在彎月面上產生剪切力，從而使墨水擴散到整個皮膚表面。

在墨水乾燥並去除模板後，將另一個模板放置在複製皮膚上，以用半導體油墨填充，同樣乾燥5分鐘。最後再使用相應的模板把電介質油墨填充在電晶體的源電極和漏電極之間的溝道上。

▲Dos電路製備流程

就像化妝一樣，Dos難畫卻好卸，使用溼紙巾和常規的洗手液就可以直接擦掉皮膚上的Dos電子設備，因此人們大可不必有這個「紋身」一樣的電路不好去除的擔憂。

二、倔強「電子紋身貼」：拉扯皮膚出汗都不掉

Dos各方面性能優於普通的貼片式可穿戴器件的結論並不是空口無憑。

休斯頓大學的研究人員對皮膚拉扯、人體出汗等外部條件對Dos上傳感器的影響都做了測試，結果表明Dos在各種正常的使用情況下的性能還是很「抗打」的。

1.皮膚測試

研究人員首先將電路圖上涵蓋的包括電晶體、應力傳感器、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行了測試。結果顯示Dos集成系統在進行拉伸和壓縮後沒有任何物理損壞痕跡。

▲拉扯扭曲戳動無損壞

為了檢驗皮膚對電子墨水的反應，避免人類將墨水塗到皮膚上時候出現不耐受反應，研究人員將電子墨水塗抹在了剔除皮毛的小白鼠背部，然後提取皮膚樣品並通過組織學染色程序進行評估。結果表明繪製過電子墨水的小鼠皮膚並沒有惡化，或產生發炎的症狀。

▲f：對變形模式下Dos魯棒性（健壯性測試）g：電子墨水皮膚耐受測試

上面的兩個測試表示了Dos設備具有的超適形和可變形性。

2.汗液、耐久性測試

同時，為了確定Dos傳感器與現有傳感器相比具有優勢，研究人員對比了Dos電極、醫院級凝膠電極以及350nm超薄蛇形網狀電極在不同條件下測量人體皮膚電生理信號時的性能。

通過對7小時內的耐用性對比發現，Dos傳感器獲得的ECG信號（心電信號）在所有測量時間點上都相對一致，其在皮膚出汗情況下測試、耐久測試以及與皮膚的黏著力測試中都表現出超出其他器件的性能。

▲在出汗前和期間，Dos電子設備和現有的ECG感應技術的比較

三、藍牙連接監測心電圖，「貼皮」電路消除運動偽影

開篇就提到Dos最重要的功能是用於人體生理信號監測，為此，研究人員設置了一套藍牙數據傳輸系統使Dos電路及傳感器可以對人體進行無線心電圖信號監控。

通過應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鍵的生理信息。

▲皮膚複製品上的Dos設備的傳感器反應

通過以兩個交叉的電極形式構造而成的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。

▲皮膚和無線感應上的Dos電子設備

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動時產生「運動偽影」現象幹擾健康數據的問題。

因為通過以往的研究已知較薄的傳感器不太容易受到運動偽影的影響，因此研究人員在針對運動偽影影響的測試中，用前文提到的包括Dos在內的三種電極測試了皮膚在被間隔性拉伸或收縮，以及處于振動條件下的心電圖信號。

▲使用Dos電子設備進行的無運動偽影感測

實驗結果表明，相對於另外兩種器件，Dos電極對於抑制運動偽影的影響以及提高信噪比等方面有明顯的優勢。

四、電刺激加速皮膚癒合

除了在普通的可穿戴設備的身體情況監控功能上升級，Dos的另一個明顯的用途在於，它可以應用於任何形狀和大小的皮膚創傷治療。

例如，士兵在戰場上遭到單片襲擊刺破皮膚，一般需要幾天到幾個月的時間才能完全痊癒。而此前有研究表明，對於皮膚的脈衝電刺激可以應用於促進傷口癒合。

因此研究人員嘗試使用Dos電極在一隻脫了毛的小白鼠背部的傷患處繪畫電路，以進行電刺激，與一隻未經電刺激處理傷患處的小白鼠進行對比試驗。

通過5天的觀察，結果發現沒有經過電刺激處理的小鼠患處的傷口寬度從1cm減小到了0.49cm，而經過電處理的小鼠的1cm傷口寬度則直接減少到了0.2cm。

▲使用DoS電子設備加速皮膚傷口癒合

由此可見，受過電刺激的部分傷口較不處理的傷口癒合得更快，因此也驗證了Dos可以應用於即時皮膚創傷治療的可行性和可定製性。

論文原文：

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

結語：柔性可穿戴新思路

較薄傳感器受運動偽影影響更小、脈衝電癒合傷口、便捷可攜帶等優勢，預示著像「紋身」一樣的「貼皮」電子產品逐漸成為了柔性可穿戴設備的新思路。

不僅是餘存江教授課題組提出的Dos電路，早在今年3月份，密蘇裡大學的研究人員也在《美國國家科學院院刊》上發表了一篇論文，也是描述了一種通過紙筆就能製成的畫在身上的可穿戴設備。

這種可穿戴設備就像可以和人類融於一體，及時了解使用者的身體狀況，而在不需要它的時候又隨時可以分解或是洗掉，稱得上是一種新的「可穿戴」福音。

不知未來經過更加嚴格的測試，我們是否能在身上貼上這種奇特的「紋身貼」？

消息來源：Nature