中科院上海微系统所陶虎团队Adv. Mater.：用于获取人体生理特征的亲肤电子设备

【引言】

表皮电子产品是一类新兴的可穿戴电子设备，它安装在人体皮肤上，通过面接触实现皮肤-传感器直接交互，连续表征皮肤的重要形态、生理和代谢参数，为实时健康和健身监测提供了巨大潜力。理想的安装在皮肤上的装置应该自然地与表皮保持适形接触，并对从事剧烈和长时间体力活动的人体物体有足够的附着力。大多数的表皮装置是通过范德华力附着在皮肤上的，而范德华力对皮肤上的水分、油脂和毛发是无效的，尤其是在可能持续数小时甚至数天的剧烈运动中。通过改进/优化器件衬底的机械性能、厚度和结构设计，已经投入了大量的精力来增加附着力。然而，就像许多皮肤粘接剂和透皮贴剂一样，许多皮肤贴附装置的强粘接剂设计通常在使用后导致难以剥离，造成皮肤刺激、疼痛，甚至在使用时对伤口造成继发性损害。设计具有强附着力和易于分离性能的表皮器件的策略还有待开发。此外，在长时间的户外活动中，恶劣和多变的条件可能会影响这些表面安装设备的准确性和可靠性。大多数设计都忽略了表皮器件的这些重要方面，阻碍了它们在现实世界中的应用。

【成果简介】

近日，在中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院大学、上海科技大学、上海张江实验室脑与智能科技研究院、上海脑科学与类脑研究中心陶虎研究员团队（通讯作者）带领下，报告了一套由物理和生化传感器组成的可降解表皮电子设备，可以监视多维生理参数，如心电图（ECG）、眼电图（EOG）和肌电图（EMG）以及温度、应变、湿度和细菌感染。利用人工神经网络（ANN），可以检测到几乎不受个体差异影响的重要生理特征。此外，尽管在皮肤电子设备上进行了许多努力，以增强设备的粘附力、保形性和可靠性，但团队专注于开发具有强粘附力和易剥离特性的表皮设备，这些设备适用于获取多维生理信号。对于皮肤敏感的人群（包括婴儿和皮肤病患者），这些对亲肤的电子产品在许多日常体育锻炼和临床相关场景中必不可少；这使得它们可用于敏感、脆弱甚至受伤的皮肤区域，而不会造成不良影响。相关成果以题为“Skin‐Friendly Electronics for Acquiring Human Physiological Signatures”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 亲肤的GEPC基TEE获取生理状态的示意图

a）为实现预期目标而提出的总体战略框架。

b）受试者前臂上可穿戴TEE的照片。蓝色和灰色虚线分别给出了透明GEPC基板和电极的轮廓。

c）TEE结构示意图，包括一个用于电生理监测的AgNWs电极和两个用于化学生理监测的R-EDG的传感器。一个R-EDG-传感器提供参考信号，以消除由于皮肤温度（Temp.）、相对湿度（RH.）波动以及身体运动引起的干扰。另一个R‐EDG‐传感器经过了抗菌肽（称为BR‐EDG）的生物修饰，以定量监测皮肤上细菌的存在。在提供使用ANN算法获取生理特征的多维数据集之后，可以触发TEE分解。

d）水触发和热调制瞬态示意图。

e）下不同甘油重量比的GEPCs在50％RH.下的拉伸应力-应变曲线。插图：人体皮肤组织的年龄依赖性强度。

f）附着在猪皮衬底上的GEPC薄膜的代表性附着力曲线，在水处理前/期间附着力强，处理后容易脱落。上插图，实验装置示意图。下插图，展示了GEPC膜（3×3 cm²）在毛发皮肤上完全支撑400 g的质量，而不会在水引发的脱离后留下粘性残留物或引起炎症反应。

g）GEPC膜在水处理前/期间/后的剥离力与位移的关系图。插图：实验装置示意图。

h）商业贴剂在皮肤剥离期间/后会造成严重皮肤损伤与团队的可触发的分离设计（无损伤且环保）的比较。

图2 TEE的性能表征

a）表皮电极的薄膜电阻是施加到AgNWs的负载的函数。插图：电极在频域中的阻抗。

b）当表皮电极经受周期性弯曲时的归一化电阻变化。插图：松开（左）和弯曲配置（右）。

c）当表皮电极在环境条件下存储时的归一化电阻变化。插图：在8×8点网格上测得的薄膜电阻的面积图。

d）在拉伸应力作用下，R‐EGD传感器的归一化电阻变化和相应的应变系数。插图：循环应变测试。

e）R‐EGD传感器随温度和湿度的归一化电阻变化。

f）不同大肠杆菌浓度（CFU mL^-1）下的BR‐EGD传感器的归一化电阻变化的实时响应。插图：示意图显示了BR‐EDG与致病菌的结合。

图3 TEE在水完全湿润后分解和在完全脱水后迅速降解

a）瞬态过程的化学变化示意图。

b）GEPC基电极在水处理和后续脱水过程中归一化电阻和相应的归一化质量。

c）演示了GEPC基电极（粘贴在纸上）在电路中将电源连接到发光二极管的瞬态过程中的电导率变化。

d）在完全湿润的条件下，使用GEPC基电极和商用贴片监测EMG信号。灰色区域描述运动发生的时间。

e）GEPC基传感器的热调制瞬态寿命。左图：脱水过程中由水引发的收缩导致电阻下降，随后伴随设备的分解电阻迅速增加。右面板是可见光和红外光下R‐EDG型传感器的照片，可作可穿戴加热器，通过连接5 V电源来调节瞬态寿命。

图4 从TEE设备收集的多维信号中获取生理特征

a）示意图说明了用于从输入信息中识别生理状态的算法架构。ECG、EMG和EOG通过电极获得。EBG由R‐EDG型传感器作为校准（控制），BR‐EGD型传感器进行监控。图的右侧概要地描述了ANN的体系结构和四种典型的输出分类。生理状态是剧烈的（运动前）、运动、疲倦（运动后）和刺激的（摄入兴奋剂，例如咖啡因）。

b）通过一组贴于不同部位的TEE监测运动过程中典型的电生理信号。

c）将传感器的电阻和校准结果归一化，显示运动期间和运动后汗液诱导的皮肤细菌信号增加。灰色区域表示对象运行的时间。

d）训练后模式识别ANN的测试混淆矩阵，最优化精度高达96.9％。

e）使用训练后的ANN对受试者在24小时内的日常运动的新输入进行分类。受试者从第1小时开始跑步到第2小时，并在第4小时饮用含咖啡因的能量饮料。

【小结】

团队已经证明了使用丝蛋白作为生物相容性和水可分解表皮电子器件的瞬时底物进行实时多模式生理监测的能力，从而能够实现牢固的附着力和易于剥离的能力。 与其他表皮器械相比，我们的器械在日常应用中具有优势，原因如下：1）在干燥、潮湿、油性和多毛的皮肤上具有强附着力，以及水引发的剥离，在剥离过程中不会对皮肤造成刺激、疼痛或损伤；2）设备在潮湿环境下的附着力和传感性能良好；3）设备几乎对环境变化不敏感，采用双传感器和自参考设计进行现场校准；4）通过电和生化传感器测量的多维生理参数，可以使用ANN算法进行更准确、更可靠的分析。所使用的蚕丝蛋白以其光学透明性、生物相容性、生物可吸收性、机械强度和柔韧性以及相对丰富和低成本的优点而闻名。重要的是，通过适当掺杂不同的分子用于不同的诊断和治疗目的(如伤口愈合和药物控释)，丝蛋白和丝基器件可以很容易地功能化。团队的进展为一套新的生物兼容性、保形性、粘合性、用户友好和环境友好的表皮装置提供了一条有前途的道路。

文献链接：Skin‐Friendly Electronics for Acquiring Human Physiological Signatures（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201905767）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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