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皮肤可以发出某些与健康相关的信号，例如干燥的皮肤感觉更紧致，表明需要水分。但是，如果皮肤可以更智能，能够监测和共享特定的健康信息，例如汗液中的葡萄糖浓度或心率呢？这是由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队提出的问题，该团队最近开发了一种粘性传感设备，可以无缝连接到人体皮肤上，以检测和监测佩戴者的健康状况。
该研究中智能皮肤的细节，包括如何有效地重新编程以检测各种信号甚至回收，发表在Advanced Materials
背景
目前仍没有具有内在粘附力的多功能皮肤界面电子设备。
“尽管在用于健康监测的可穿戴传感器方面做出了重大努力，但在通过低成本，高效的制造方法制备的单一材料平台上还没有具有内在粘附力的多功能皮肤界面电子设备。”共同通讯作者宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系研究员、资深作者程焕宇（Huanyu Cheng）教授说。“然而，这项工作引入了一种可贴皮肤、可重新编程、多功能的粘性装置贴片，该贴片通过简单且低成本的激光划线制造。”
程教授解释说，传统的柔性电子产品制造技术可能既复杂又昂贵，特别是因为建立在柔性基板或基础层上的传感器本身不一定是柔性的。传感器的刚性会限制整个设备的灵活性。程教授团队之前使用激光诱导石墨烯（LIG）开发了生物标志物传感器，该传感器涉及使用激光在多孔柔性基板上对3D网络进行图案化。激光器与基板中包含的材料之间的相互作用产生导电石墨烯。
“然而，柔性基板上基于LIG的传感器和设备本质上不可拉伸，不能与人体皮肤进行生物传感。”程教授说。人体皮肤的形状，温度和湿度水平是可变的，特别是在体力消耗期间，可能需要监测心率，神经功能或汗液葡萄糖水平。“虽然LIG可以转移到可拉伸的弹性体上，但该工艺会大大降低其质量。”
基于LIG@PI/PDMS/PEIE的多功能、可回收和粘性设备贴片。a） 示意图，说明基于PI/PDM/PEIE的器件贴片的制造过程。b） 各种LIG形式的雷达图，包括从PI/PDMS/PEIE复合材料（LIG@PI/PDMS/PEIE）或PI薄膜（LIG@PI）衍生并转移到PDMS（LIG@PDMS）的雷达图。c） 基于 PI/PDM/PEIE 的贴片的光学图像，用于生物电位调节和测量以及生物传感。底部面板显示了多功能设备贴片附着在皮肤上、戳戳引起的变形以及剥离过程中。d） 基于多功能 LIG@PI/PDMS/PEIE 的粘性设备贴片的原理图，具有生物电位测量、电刺激、生物传感、热管理和伤口治疗功能。
方法
通过对分散在有机硅弹性体中的聚酰亚胺粉末和胺基乙氧基聚乙烯亚胺的粘合剂复合材料进行简单和低成本的激光划线完成贴片制造。
因此，对传感器设备进行编程以监测特定的生物或电物理信号变得更加困难。即使可以对设备进行适当的编程，其传感性能也经常会下降。
“为了应对这些挑战，非常希望直接在可拉伸基板上制备多孔3D LIG，”文章第一作者朱佳说，他于2020年毕业于宾夕法尼亚州立大学，获得工程科学和力学博士学位，现在是中国电子科技大学的副教授。
研究人员通过制造一种粘合剂复合材料来实现这一目标，这种复合材料含有称为聚酰亚胺粉末的分子，可增加强度和耐热性，以及基于胺的乙氧基化聚乙烯亚胺 – 一种可以改性导电材料的聚合物 – 分散在硅橡胶或橡胶中。这种可拉伸复合材料不仅适合直接的3D LIG制备，而且其粘合性意味着它可以像人类一样贴合并粘附在不均匀、多变的形状上。
通过基于LIG@PI/PDMS/PEIE的粘合剂贴片进行生物电位测量。a） 贴片的光学图像，用于各种变形时的心电图或肌电图测量。b） 比较商业电极和贴片在第一次和第二次使用期间以及重印后捕获的心电图信号。引入人工变形来比较各种基于LIG的生物电极在ECG测量中的鲁棒性。拉伸变形和压缩变形下的心电信号分别在左侧和右侧面板中放大。c， i） 通过基于 LIG@PI/PDMS/PEIE 的粘性贴片进行心电图测量的实验设置，该贴片具有集成的柔性、小型化、无线数据处理单元和内置蓝牙模块。测量 ii） 心电图和 iii） 锻炼前后从受试者的心电图中提取的心率 （HR）。d） 在干燥和潮湿环境中使用基于 LIG@PI/PDMS/PEIE 的粘合贴片进行 EMG 测量。
结果
该设备可以监测汗液中的pH值，葡萄糖和乳酸浓度，并且可以通过手指刺血来检测。
研究人员通过实验证实，该设备可以监测汗液中的pH值，葡萄糖和乳酸浓度，并且可以通过手指刺血来检测。它还可以重新编程，以实时监测心率、神经功能和汗液葡萄糖浓度。重新编程就像在LIG网络上贴上透明胶带并将它们剥离一样简单。然后，基板可以重新激光到新的规格，在它变得太薄之前最多四次。一旦它变得太薄，整个设备就可以回收利用。
至关重要的是，根据程教授的说法，该设备仍然具有粘性，即使皮肤被汗水或水弄得光滑，也能够进行监测。目前，该设备由电池或近场通信结节（如无线充电器）供电，可能会收集能量并通过无线电频率进行通信，研究人员表示，这将产生一个独立的、可拉伸的粘合剂平台，能够感应所需的生物标志物并监测电物理信号。该团队表示，他们计划与医生合作实现这一目标，最终将该平台应用于管理糖尿病等各种疾病，并监测感染或伤口等急性问题。
对LIG进行金属修饰，以提高导电性，以实现DC/AC应用。a） 通过化学镀镍（上）、空气喷涂银纳米线 （AgNW）（中）和 Ag 纳米颗粒 （AgNP） 油墨（下）滴铸改性的 LIG 电极的光学图像。b） 镍/LIG基柔性加热器的加热性能。c） 小号11基于AgNW/LIG的宽带偶极子天线在弯曲变形下的双臂配置曲线。d） 基于 AgNW/LIG 的 NFC 器件在“最小相位”方法确定的弯曲变形下的谐振频率。e） NFC设备的光学图像，由发射器无线供电，以点亮LED。
“我们希望创造下一代智能皮肤，集成传感器进行健康监测 – 同时评估各种治疗如何影响健康 – 以及用于及时治疗的药物输送模块。”程教授说。
评价
柔性可穿戴电子器件的又一新进展
柔性可穿戴电子器件作为健康检测的传感器，是健康监测的源头和最重要的部分。过去很长时间，科学家们一直在努力推动该领域向前发展，但是仍存在一些问题，例如传感器件并非本质柔性、人机交互界面的粘附性问题及特殊环境的信号稳定性问题等。
基于LIG@PI/PDMS/PEIE的多功能皮肤接口平台。a） 基于LIG@PI/PDMS/PEIE的无线控制给药系统，用于抗菌伤口愈合。i） 荧光素在施加 −1.5 V 电压时释放的光学图像。ii） 药物递送装置和相应电路模型的示意图。iii） 基于双功能 LIG@PI/PDMS/PEIE 的贴片的光学图像，具有无线控制的药物输送和 UV-LED 指示器。iv） 输出电压 （V外） 作为设备和发射器之间距离的函数。v） 双功能LIG@PI/PDMS/PEIE贴片的抗菌性能（*p < 0.05;**p < 0.01;***p < 0.001）。b） 基于LIG@PI/PDMS/PEIE的皮肤界面实时汗液葡萄糖传感贴片。i） 汗液葡萄糖传感贴片的光学图像和用于实时测量的实验装置。ii） 实时出汗 （C汗）和血液（C血） 室内锻炼期间的葡萄糖浓度，分别通过贴片和商业手指点刺血测试测量。
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Zhu, J., Xiao, Y., Zhang, X., Tong, Y., Li, J., Meng, K., Zhang, Y., Li, J., Xing, C., Zhang, S., Bao, B., Yang, H., Gao, M., Pan, T., Liu, S., Lorestani, F., Cheng, H., Lin, Y., 2024. Direct Laser Processing and Functionalizing PI/PDMS Composites for an On‐Demand, Programmable, Recyclable Device Platform. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202400236
*中文编译仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。
END
编辑 | 罗虎
来源 | Advanced Materials
审核 | 医工学人
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