西安交大BEBC《Materials Today》综述：环境自适应型柔性电子及其可穿戴健康监测应用

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近十年来，柔性电子技术蓬勃发展。得益于其质地柔软、贴合皮肤的特点，柔性电子设备已在人体可穿戴健康监测领域得到广泛应用，极大提高了医学诊疗的精确性、实时性和个性化。在实际应用中，柔性电子设备需要用户长期穿戴以实现健康监测功能，不过在这一长期监测过程中，设备面临着多种不断变化的环境条件（如机械力、温度或湿度），这可能会导致柔性电子设备结构、功能受损，影响其工作的稳定性与所采集数据的可靠性。因此，开发可在多种变化环境因素下工作的环境自适应型柔性电子器件对于实际应用具有重要意义。

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）围绕“力学基础理论-生物技术研发-应用推广”的学术理念，坚持将力学理论模型用于生物材料设计和实际的应用场景中。长期以来，基于组织、细胞、分子尺度生物力学机制的研究基础（Chemical Reviews, 2017, 117, 12764-12850. Advanced Materials, 2018, 30, 1705911. Nano Letters, 2019, 19, 5949-5958. Science Advances, 2020, 6, eaax1909.），开发类皮肤柔性电子器件并探索其生物医学应用前景（Advanced Functional Materials, 2016, 26, 165-180. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2017, 112, 1-22. Small, 2018, 14, 1801711. Materials Horizons, 2020, 7, 203-213. Advanced Materials, 2020, 32, 1904752.）。

基于前期柔性电子开发的研究基础，近日BEBC研究人员受邀在国际知名期刊Materials Today上发表以“The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions”为题的综述文章。该综述针对柔性电子设备在长期监测过程中面临机械力、温度和湿度三种环境挑战（图1），总结了近年来基于材料创新和结构设计以保障柔性电子设备在多种变化环境因素下功能实现的研究成果。同时，介绍了在不同环境下柔性电子在可穿戴健康监测、生物传感、人机交互、能源供给等方面的潜在应用，并进一步讨论下一代柔性可穿戴电子设备开发所面临的挑战和机遇。

图1. 人体活动所面临的多种环境：从正常到极端的机械力、温度与湿度环境。

1. 承受大幅度力学变形的柔性可穿戴电子

人体活动常伴随拉伸、压缩、剪切、扭曲等力学变形（如肢体运动、心脏搏动、血管舒张等），这些力学变形的参数范围为柔性可穿戴电子材料和结构的设计提出了具体要求。针对此，文章从完整性和功能性两个方面介绍了用于人体健康监测的柔性可穿戴电子在多种力学环境中所面临的挑战与相应的设计策略：在设备完整性方面，总结了基于结构的设计方案，如可用于提升柔性可穿戴电子延展性的二维平面结构与超材料设计、提升可穿戴电子灵敏度的三维微结构；在设备功能性方面，分别从生理信号监测与生化信号监测两个方面总结了柔性可穿戴电子的设计策略，如基于剪纸工艺的可拉伸电极设计。最后，总结了柔性可穿戴电子在不同力学环境中的应用，如可承受人体不同部位应变的健康监测设备。

2. 承受大幅度温度变化的柔性可穿戴电子

人类活动中面临不断变化的环境温度，由热到冷、由正常室温到极端酷暑严寒，这种不断变化的温度条件给材料的耐久使用（如抗高温、抗低温性能）带来挑战。针对此，文章从结构和材料两个方面介绍了可承受大幅度温度变化的可穿戴柔性电子的设计策略。以水凝胶柔性电子为例，在材料方面，有机溶剂、盐与离子液体的引入均能提高材料的抗冻性能；在结构方面，弹性体涂层对水凝胶的抗冻和抗高温性能的提升可产生积极的影响；此外，综合两种设计思路可显著提高水凝胶在不同温度下的耐受性。基于这些设计方案，多种抗冻、抗高温柔性可穿戴电子已被广泛应用于人体运动监测与能源供应领域。

3. 承受大幅度湿度变化的柔性可穿戴电子

变化的湿度环境为柔性可穿戴电子的使用带来挑战，如干燥环境使得水凝胶柔性电子失水皱缩进而失去延展性与功能性，湿润环境可能使得水凝胶电子发生溶胀导致不可控的形貌变化及表面结构破坏。而作为采集信号可靠性的重要保障，器件与人体皮肤之间的有效黏附也会因潮湿环境中（如出汗）水分子在黏附界面的聚集而受到影响。针对这些问题，文章首先总结了人体活动所面临的多种湿度环境，包含人体呼吸、伤口渗出液、汗液等内部环境以及沙漠、游泳、淋浴、雨天等外部环境；并分别针对湿度环境对柔性电子设备完整性与功能性的影响，介绍了其设计策略；最后展示了柔性可穿戴电子在多种湿度环境下应用于电子织物、智能敷料、可穿戴传感器与人工肌肉等领域的前景。

西安交通大学生命科学与技术学院博士生牛艳和助理教授刘灏为本论文的共同第一作者，徐峰教授为通讯作者，文章共同作者还包括西安交通大学第一附属医院呼吸与危重症医学科任徽博士、空军军医大学唐都医院内分泌科高彬博士、以及西安交通大学第一附属医院肿瘤内科郭卉博士等临床研究人员。作者专业领域涵盖生物医学工程、生物力学、化学、临床医学等不同学科背景，充分展现了BEBC理论与实践紧密结合的多学科交叉合作研究理念。该工作是BEBC基于多尺度（组织-细胞-分子）生物热-力-电耦合研究思路，在组织尺度针对类皮肤柔性电子多场耦合研究上的又一重要研究进展总结。

文章信息：Yan Niu¹, Hao Liu¹, Rongyan He, Zedong Li, Hui Ren, Bin Gao, Hui Guo, Guy M. Genin, Feng Xu. The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions. Materials Today. 2020. (DOI: 10.1016/j.mattod.2020.10.004)

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970212030359X

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