Lab-on-Skin:面向穿戴式健康监测的柔性及可拉伸电子技术

来源：科钛网

Lab-on-skin示例。 将可拉伸和柔性的电子设备作为生物传感器，用于测量（从右上方顺时针）皮肤模量，电子心脏病学，水合作用，血氧，伤口愈合率，汗液含量，皮肤表面温度，血压，肌电图和脑电图。

皮肤是人体最大的器官，它提供了一个诊断界面，富含来自内脏、血管、肌肉和真皮/表皮的重要生物信号。柔性及可拉伸的电子设备提供了一种新的平台，可与软组织连接，用于机器人反馈和控制、再生医学和连续健康监测等。

我们引入术语“Lab-on-Skin”来描述一组具有物理特性的电子设备，例如厚度、热质量、弹性模量和水蒸汽渗透性，类似于皮肤的特性。这些装置可以紧密的贴合在表皮上，以减轻由传统的刚性电子设备产生的机械特性中的运动误差和不匹配，同时提供准确、非侵入性、长期连续的健康监测。

皮肤作为诊断平台，其诊断信号来自肌肉、血管、游离神经末梢、角质层、伤口和汗腺等。

可穿戴式医疗电子的商业应用取决于其所使用的设计、结构和材料，但从根本上这些都是刚性和笨重的。现有的系统为临床应用提供了强大而可靠的功能，但是它们繁琐的布线和与皮肤的不良集成阻碍了移动、舒适和连续的长期精确监测。 尽管集成电路的性能和小型化取得了进步，但可穿戴技术中的机械设计依然概念陈旧：使用脆性元件，或封装在刚性封装中，导致很多需要带子或胶带的大型装置作为医疗监控设备用于疾病临床评估中。

在皮肤上实现可拉伸和柔韧装置的材料和技术

由于其固有的低机械刚度，聚合物代表了可穿戴技术最有前途的技术方向。实际上，已经出现了许多与聚合物基板集成的柔性和可拉伸的电子设备，作为能够将生物信号数字化以用于医疗健康监测的平台。设备设计、材料选择和生物集成电子器件制造的先进策略，为建立临床相关的诊断和监测工具提供了途径。

近年来，通过在超薄聚合物膜上组装多层薄膜结构，在这些装置的开发方面取得了重大进展。随后通过范德华力的软接触将这些结构共形地贴合在皮肤表面上，从而衍生出在机械性不可视的电子接口，以链接不同的嵌入式传感器、电源、处理器、存储器和通信组件等。

将薄软电子设备整合到皮肤上的策略

实际上，皮肤可以被视为信号源：它可以产生和传输提供个体重要健康指标的生物信号。在肌肉层中，诸如来自臂丛（中枢神经系统）的正中神经的主要神经支配肌肉纤维以刺激身体收缩，并且产生可以由放置在目标肌肉群附近的电极记录的动作电位的总和。生物电位信号也可以来自心脏收缩 - 心脏舒张周期（心电图、心电图），大脑活动（脑电图、脑电图）和眼球运动（眼电图、EOG）。

用于心脏病学的表皮装置

用于皮肤病学的表皮装置

用于电生理学的表皮装置

用于汗液诊断的表皮装置

到目前为止，研究已经在设备能力、材料探索、皮肤整合技术、动力系统和机械设计方面取得了重大进展，这些技术已经产生了可伸缩和灵活的设备，能够在许多应用中提供临床相关信息，包括心脏病学，皮肤病学，电生理学和汗液诊断。

我们设想未来的“Lab-on-Skin”设备可能会为临床护理点实施一次性、低成本的表皮电子纹身，以及具有可靠诊断功能的可重复使用的柔性皮肤贴片，用于连续监测或健康检查。皮肤实验室设备的进一步发展将涉及：（1）工程/技术改进; （2）针对特定应用的设计，提供可靠/准确的诊断功能; （3）临床病例研究和验证。

作者:Yuhao Liu, Matt Pharr, and Giovanni Antonio Salvatore

（科钛网整理编译）

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