哈工大&宾夕法尼亚州立大学ACS Appl. Mater. Interfaces：室温烧结监测人体健康的可穿戴电子

介绍

皮肤接口的可穿戴电子产品因其在预防性监测、诊断确认和方便的治疗选择方面扮演着独特的角色而备受关注。这些生物集成设备能否被实际应用取决于人体传感器与无线传输模块的良好结和。多功能人体传感器可以精确、连续地监测人体的健康状况，而无线传输模块可以无线地为传感器供电和传输数据到云端，供医护人员使用。作为集成系统一个有前途地发展方向，柔性体传感器网络包括用于生理信号监测地人体传感器和用于信号调节/读出和无线传输的柔性电路板。

柔性体传感器网络的实现目前依赖于各种复杂的制造技术，从光刻、转印到直接印刷。大量的研究工作致力于探索可穿戴电子产品在纸/织物或人体皮肤上的集成。然而，到目前为止，缺少一种简单而通用的方法来制造柔性体传感器网络的所有模块，这是因为在人体皮肤上进行低温加工易于去除的传感器具有非常大的挑战性。传统工艺需要昂贵的设备和复杂的工艺，并且增加电子产品的垃圾废物，因此开发一种新的制造技术来解决这些问题就显得迫在眉睫。

来自哈尔滨工业大学和宾夕法尼亚州立大学的一个国际研究小组已经做到了这一点，他们开发出一种简单而又适合皮肤的皮肤接口传感器制造技术。在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表题为“Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring"的期刊杂志。哈尔滨工业大学与宾夕法尼亚州立大学联合培养博士生张玲为该论文第一作者，哈尔滨工业大学何鹏、赵维巍教授和宾夕法尼亚州立大学程寰宇助理教授为该论文共同通讯作者。论文获得了中国国家自然科学基金、美国国家科学基金、宾夕法尼亚州立大学启动资金、深圳市科技计划、深圳市石墨烯制造创新中心的工业和信息管理局等项目的资助。

本文要点

该团队的制造技术依赖于聚乙烯醇胶水和纳米颗粒添加剂的混合物制备成的烧结辅助薄层。从他们之前的研究中发现，纳米银墨水在包含TiO₂ 的高温标签纸上进行热处理，烧结温度可以从200˚C降低到120˚C。因此，该团队选择TiO₂ 作为添加剂开始进行研究。制备的烧结辅助薄层通过电荷中和反应来降低烧结激活能，从而促进低温烧结。通过实验和相场模拟对该理论进行了论证。由于电荷中和需要阳离子基团，除TiO₂之外，他们还选择了其他几种金属氧化物(Al₂O₃、MgO)、盐(CaCO₃、BaTiO₃)和金属(Cu)作为添加剂来证明这一理论分析。除此之外，烧结辅助薄层还降低了各种基板的表面粗糙度，以此可以在柔性基底上印刷超薄的金属图案层。样品具有良好的机械性能，能够进行各种弯曲和折叠的机械变形。他们将该方法应用于印刷监测生理信号的人体传感器以及无线传输数据的纸/织物基柔性电路板上，为了系统说明该方法的应用，他们将各种人体传感器与柔性电路板进行集成，如下图所示。

图 1. 柔性人体传感器网络的原理和概念验证图，该网络由各种人体传感器和柔性印刷电路版(FPCB)组成。a) 柔性人体传感器网络的概念设计。b) 带有多种人体传感器的手。c) 血氧饱和度测量装置。d) 纸基FPCB。

该团队制作的皮肤印刷传感器可以精确、连续地捕捉温度、湿度或局部湿度变化、血氧饱和度、心电图和肌电图等生理信号。与商用的产品进行比较，具有更高的信号质量和更好的性能，为健康监测系统提供了一系列可穿戴电子产品。

当大规模采用这种可穿戴电子产品时，去除和环保处理成了一个问题。该团队研发的产品，可以在温水中清洗去除，此外，应用的材料具有生物相容性，毒性小，可用于绿色电子、生物集成电子甚至是可植入式设备。

讨论了可延展压电材料和结构及在自供电可穿戴和可植入式医疗器件中的应用所面临的机遇和挑战。对一些新型的压电材料（如透明压电材料）和可延展压电结构（如3D屈曲结构）在新兴医疗领域中的应用和发展前景进行了讨论和设想。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c11479

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本文由作者团队供稿。