四川大学王竹卿/吴晓东Small: 基于皮肤原位印刷的生理压力与表皮电位协同监测

一、研究背景

柔性可穿戴传感器可以紧密贴合人体皮肤表面，用于实时监测一系列重要的生理信号，包括表皮压力/应变/振动、体温、生物电信号，如心电图（ECG）、肌电图（EMG）、脑电图（EEG）等。但目前报道的多数传感器功能单一，仅限于一种目标信号检测，如压力、应变、生物电位等，极大地限制了它们在不同场景中的应用。近年来，为了满足多样化的应用需求，开发了可用于检测多个目标信号的多功能传感设备。然而，这些多功能传感器往往需要昂贵的制备工艺，繁复的器件构型和复杂的材料体系，严重阻碍了多功能传感器的大规模制备和广泛应用。因此，如何平衡可穿戴传感器的功能多样性和制备简易性，对其实际应用具有重要意义。

二、文章简介

近日，四川大学机械工程学院的王竹卿教授和吴晓东研究员提出了一种简化的传感器模式，基于单组分材料体系，通过简单的溶液加工工艺，实现了在皮肤表面原位印刷并组装多功能传感器，用于同时监测生理压力和表皮电位。通过合理的材料组分调节和微观结构设计，所制备的多功能传感器具有高压力灵敏度（705.9 kPa⁻¹）和极低的皮肤界面阻抗（3.09 kΩ@10 kHz），具有良好的机械传感和生物电传感能力。将多功能传感器原位印刷并组装在人体皮肤表面，可以实时监测不同状态下的动脉脉搏压力和表皮生物电信号（ECG和EMG），在健康监测和疾病诊断等领域具有广泛的应用前景。同时，这种材料设计策略和溶液加工工艺同样适用于其他材料体系，具有良好的普适性。本文提出的这种简化的、多功能的传感器模式为构建未来智能可穿戴设备，提供了一种新的设计理念。

研究相关成果以“Synergetic Monitoring of both Physiological Pressure and Epidermal Biopotential Based on a Simplified on-Skin-Printed Sensor Modality”为题，发表在国际知名期刊《Small》上（1区Top期刊，影响因子13.3），论文第一作者为四川大学机械工程学院2022级博士研究生宋洋洋同学。

三、研究内容

图1 多功能传感器的设计思路。传感器由两个主要部分组成，包括一对超薄生物电极和微结构机械传感层，人体皮肤作为整个传感器的基底。超薄生物电极原位印刷到皮肤基底上，用于生物电位传感和机械传感。在表皮生物电极上组装微结构机械传感层，构建可以检测生理压力的机械传感器。值得注意的是，整个多功能传感器的构建仅使用WPU和MXene两种材料。其中，高导电性WPU/MXene-1用于制备表皮生物电极，监测表皮电位。高电导率确保高保真信号的采集。采用WPU/MXene-2构建弹性微结构机械传感层，使传感器具有良好的循环稳定性。在腕部原位印刷并组装多功能传感器，通过表皮电极可以采集心电信号，同时通过机械传感器测量脉搏压力信号。这种布局简单，但功能丰富的传感器模式，可以同时监测多种至关重要的生理信号，在健康检测和疾病诊断领域表现出广泛的应用前景。

图2 多功能传感器的制备流程和工作原理。传感器是通过简单的溶液加工工艺制备的，通过合理的材料选择和结构设计，制备了超薄的生物电极和微结构压力传感层。高电导率的生物电极可以紧密贴合皮肤表面，具有低电极-皮肤界面阻抗，且长时间佩戴对人体皮肤无害。机械传感层具有高度的均匀性和周期性的微观结构。压缩过程中微结构机械传感层和表皮电极之间的界面电阻发生改变，揭示了机械传感器的工作原理。

图3 多功能传感器的压力传感性能。通过合理调控微结构机械传感层的材料组分，制备了具有高灵敏度（705.9 kPa⁻¹）、低检测限（21.2 Pa）、快速的响应和恢复，以及良好的循环稳定性的机械传感器。

图4 皮肤表面原位印刷的生物电极监测表皮电位。高电导率的表皮生物电极可以检测到高质量的ECG和EMG信号。

图5 通过生物电极监测EMG信号。皮肤表面原位印刷的生物电极不仅可以检测并区分不同握力时产生的EMG信号，还可以检测运动过程中不同肌肉群的产生的EMG信号强度。

图6 通过单个传感器同时监测ECG和脉搏压力。在手腕位置原位印刷并组装了多功能传感器，通过生物电极可以监测到ECG信号，同时通过机械传感器检测动脉脉搏压力。通过两种生理信号的协同监测，可以实时并准确地监测不同运动状态下心率的变化。

四、结论与展望

本工作提出了一种皮肤上原位印刷的简化传感器模式，基于单组分材料体系，并通过简单的溶液加工工艺，制备了可以同时感知生理压力信号和表皮生物电位的多功能传感器，同时实现了传感器的功能多样性和制备简易性。这种新型传感器模式对多种材料体系具有普适性，在实时健康监测、运动状态检测和疾病早期预防与诊断等领域具有广阔的应用前景。

文献链接：https://doi.org/10.1002/smll.202303301