“神笔马良”现身？皮肤上画个电路图就能监测健康

近日，美国休斯敦大学的余存江（Cunjiang Yu）教授课题组研发了一种新型的生物医学电路——超保形皮肤电子设备（Dos），这种电路的功能类似于我们平常使用的可穿戴设备，可以监测人的身体状况。但与手环型，甚至贴片型可穿戴器件不同的是，这种电路是直接用圆珠笔“写”在人的皮肤上的。

这项研究以《超保形皮肤电子设备，用于多功能运动无伪像感测和即时护理（Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment）》为题发表在了《自然通讯（Nature Communications）》杂志上。

▲余存江教授课题组在《自然通讯》上发表的论文

如今越来越多的人认识到通过可穿戴设备，从人体皮肤中准确提取生理和物理信号对于健康监测、疾病预防和治疗至关重要。

然而当前打着“运动必备”旗号的可穿戴电子设备，往往只能在人体处于静态的条件下保持优质信号，而当人体处于剧烈运动时，这些设备采集到的信号很容易受到极大干扰，也就是医学上说的运动伪影现象。

即使计步器将走路4000步记录成4200步“问题不大”，但其他有关心脏功能、温度等的健康检测数据记录不准可能会导致大问题。

运动伪影极大阻碍了可穿戴电子设备在日常生活和医疗中的应用，如何减轻甚至是消除运动伪影是可穿戴电子领域的一大挑战，科学家们也一直没有停止对消除运动伪影的努力，此前在2015年也有论文表示可以通过滤波器来消除运动伪影。

而余存江教授课题组新研发的“皮肤上绘制的电子产品”不仅可以在用于检测肌肉信号、心率、温度和皮肤水分等生理电信号的时候，不受运动伪影的影响，还可以用于促进任意形状皮肤伤口的愈合。

▲余存江教授 图源：余存江在浙大讲座时的海报图片

这种画在皮肤上的电路的制备甚至不需要任何复杂的仪器，只用一根圆珠笔灌上各种电子墨水，再辅以电路模板就可以在皮肤上直接写出各种电路。

整体来看，这种电路目前依旧扮演的是传感器的角色，通过不同的电路形状以获取不同方面的人类健康。在论文中，也并没有明确提出这一电路的供电方式，以及传输处理途径，由此看来想要将这一电路产品化还需要很长的路要走。但尽管如此，这种画在皮肤上的电路形式还是为柔性可穿戴领域提供了一种新的思路。

那么这种新奇的“贴皮”式电子产品是如何画上去的？用电子墨水画上电路图就真的可以替代可穿戴器件吗？它是否能适应人类皮肤超强的延展性？电路怎么能帮助伤口愈合呢？

让我们带着这些疑问，一起来看看休斯顿“大佬”们新研发出的可穿戴神器。

一、难画好卸的电路原料：电子墨水

Dos电路的“灵魂”非它的电子墨水莫属了，这些不同材料的电子墨水分别会被用作导体、半导体和电介质。将电子墨水直接写在皮肤上，可以让液态墨水完全契合皮肤的纹理，从而使电路更加紧密、牢固，且不受运动影响能时时贴合在人体皮肤上。

那么这种能画出可充当穿戴器件监测人体状况电路图的墨水到底是由什么制成的？

论文中写道，研究人员会通过Ag（银）和PEDOT：PSS溶液（一种导电率很高的高分子聚合物水溶液）混合来制备导电油墨，通过3：7体积混合的C10H12（四氢萘）和C6H10O（环己酮）来制备P3HT-NF半导体油墨，通过PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯），[EMIM] [TFSI]（1乙基3甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）和C3H6O（丙酮）以1：4：7的重量比混合制备离子凝胶电介质油墨。

目前Dos已经在皮肤复制品上进行过整体操作。首先用聚酰亚胺薄膜和透明胶制造出电极所需形状的镂空模板，然后使用笔尖直径为1mm的改良圆珠笔将导电油墨在模板皮肤上绘制出源电极(起集电作用的电极)和漏电极（起发射作用的电极），在室温下干燥3~5分钟。

由于笔尖被制成了弯月面，所以笔尖不需要接触皮肤就可以将墨水绘制上去，笔的运动会在弯月面上产生剪切力，从而使墨水扩散到整个皮肤表面。

在墨水干燥并去除模板后，将另一个模板放置在复制皮肤上，以用半导体油墨填充，同样干燥5分钟。最后再使用相应的模板把电介质油墨填充在晶体管的源电极和漏电极之间的沟道上。

▲Dos电路制备流程

就像化妆一样，Dos难画却好卸，使用湿纸巾和常规的洗手液就可以直接擦掉皮肤上的Dos电子设备，因此人们大可不必有这个“纹身”一样的电路不好去除的担忧。

二、倔强“电子纹身贴”：拉扯皮肤出汗都不掉

Dos各方面性能优于普通的贴片式可穿戴器件的结论并不是空口无凭。

休斯顿大学的研究人员对皮肤拉扯、人体出汗等外部条件对Dos上传感器的影响都做了测试，结果表明Dos在各种正常的使用情况下的性能还是很“抗打”的。

1.皮肤测试

研究人员首先将电路图上涵盖的包括晶体管、应力传感器、电生理传感器、温度传感器以及皮肤水分传感器等器件在皮肤被拉扯的条件下进行了测试。结果显示Dos集成系统在进行拉伸和压缩后没有任何物理损坏痕迹。

▲拉扯扭曲戳动无损坏

为了检验皮肤对电子墨水的反应，避免人类将墨水涂到皮肤上时候出现不耐受反应，研究人员将电子墨水涂抹在了剔除皮毛的小白鼠背部，然后提取皮肤样品并通过组织学染色程序进行评估。结果表明绘制过电子墨水的小鼠皮肤并没有恶化，或产生发炎的症状。

▲f：对变形模式下Dos鲁棒性（健壮性测试）g：电子墨水皮肤耐受测试

上面的两个测试表示了Dos设备具有的超适形和可变形性。

2.汗液、耐久性测试

同时，为了确定Dos传感器与现有传感器相比具有优势，研究人员对比了Dos电极、医院级凝胶电极以及350nm超薄蛇形网状电极在不同条件下测量人体皮肤电生理信号时的性能。

通过对7小时内的耐用性对比发现，Dos传感器获得的ECG信号（心电信号）在所有测量时间点上都相对一致，其在皮肤出汗情况下测试、耐久测试以及与皮肤的黏着力测试中都表现出超出其他器件的性能。

▲在出汗前和期间，Dos电子设备和现有的ECG感应技术的比较

三、蓝牙连接监测心电图，“贴皮”电路消除运动伪影

开篇就提到Dos最重要的功能是用于人体生理信号监测，为此，研究人员设置了一套蓝牙数据传输系统使Dos电路及传感器可以对人体进行无线心电图信号监控。

通过应变传感器和温度传感器，使用者可以了解到从皮肤上获取的关键的生理信息。

▲皮肤复制品上的Dos设备的传感器反应

通过以两个交叉的电极形式构造而成的Dos皮肤水合作用传感器，可以记录皮肤抗阻，由此可以推断出模拟表皮和真皮的水和作用水平。

▲皮肤和无线感应上的Dos电子设备

Dos做成“贴皮”电路的一大重要因素，是为了消除以往可穿戴器件在用户运动时产生“运动伪影”现象干扰健康数据的问题。

因为通过以往的研究已知较薄的传感器不太容易受到运动伪影的影响，因此研究人员在针对运动伪影影响的测试中，用前文提到的包括Dos在内的三种电极测试了皮肤在被间隔性拉伸或收缩，以及处于振动条件下的心电图信号。

▲使用Dos电子设备进行的无运动伪影感测

实验结果表明，相对于另外两种器件，Dos电极对于抑制运动伪影的影响以及提高信噪比等方面有明显的优势。

四、电刺激加速皮肤愈合

除了在普通的可穿戴设备的身体情况监控功能上升级，Dos的另一个明显的用途在于，它可以应用于任何形状和大小的皮肤创伤治疗。

例如，士兵在战场上遭到单片袭击刺破皮肤，一般需要几天到几个月的时间才能完全痊愈。而此前有研究表明，对于皮肤的脉冲电刺激可以应用于促进伤口愈合。

因此研究人员尝试使用Dos电极在一只脱了毛的小白鼠背部的伤患处绘画电路，以进行电刺激，与一只未经电刺激处理伤患处的小白鼠进行对比试验。

通过5天的观察，结果发现没有经过电刺激处理的小鼠患处的伤口宽度从1cm减小到了0.49cm，而经过电处理的小鼠的1cm伤口宽度则直接减少到了0.2cm。

▲使用DoS电子设备加速皮肤伤口愈合

由此可见，受过电刺激的部分伤口较不处理的伤口愈合得更快，因此也验证了Dos可以应用于即时皮肤创伤治疗的可行性和可定制性。

论文原文：

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

结语：柔性可穿戴新思路

较薄传感器受运动伪影影响更小、脉冲电愈合伤口、便捷可携带等优势，预示着像“纹身”一样的“贴皮”电子产品逐渐成为了柔性可穿戴设备的新思路。

不仅是余存江教授课题组提出的Dos电路，早在今年3月份，密苏里大学的研究人员也在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇论文，也是描述了一种通过纸笔就能制成的画在身上的可穿戴设备。

这种可穿戴设备就像可以和人类融于一体，及时了解使用者的身体状况，而在不需要它的时候又随时可以分解或是洗掉，称得上是一种新的“可穿戴”福音。

不知未来经过更加严格的测试，我们是否能在身上贴上这种奇特的“纹身贴”？

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