用于获取人体生理特征的皮肤友好型电子设备
1 可穿戴瞬态表皮电子（TEE）系统设计
可穿戴瞬态表皮电子（TEE）系统的最终目标如图1a所示，包括同时和选择性地筛选⼀组电信号和化学生理信号、⼀次性材料成分以及日常皮肤友好型附着/分离使用，以及获取个性化的信号，以方便准确识别各种生理状态。图1b中的图像展示了皮肤上TEE的示例，它在高度透明和可拉伸的基板上集成了⼀个电极和两个原位校准传感器。
TEE的基材是基于基因工程增塑共聚物（GEPC），这是一种由丝素蛋白作为框架、基因工程弹性蛋白作为改性剂和甘油作为增塑剂组成的双网络蛋白基基质。蚕丝和弹性蛋白的创新组合保留了高生物相容性、高柔韧性、高皮肤粘附性、低刚度和出色弹性等理想的内在特性。银纳米线（AgNWs）被用于皮肤电极，因为与其他导电材料相比，它们的电阻相对较低，因此提供了出色的信噪⽐（SNR）。这两个传感器基于再生的边缘装饰石墨烯（R-EDG）片材，其中包含易于功能化的边缘区域和高导电性中⼼区域。一个传感器可以用敏感材料进行修改，以提供专门的化学生理信号，而另一个未修改的传感器同时提供参考。TEE方法凭借其独特的材料成分和相应的水触发物理瞬变，展示了对皮肤友好和生态友好的属性。
图1.基于基因工程增塑共聚物（GEPC）的皮肤友好型可穿戴瞬时表皮电子（TEE）系统用于获取生理状态的示意图和图像。
a）针对实现预期目标的总体战略提出的框架示意图。
b）受试者前臂上的可穿戴TEE的照片，插图为放大视图。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基于银纳米线（AgNWs）的电极和两个用于化学生理监测的基于再生边缘修饰石墨烯（R-EDG）的传感器。一个R-EDG传感器提供参考信号，以消除因皮肤温度（Temp.）、相对湿度（RH.）以及身体运动波动而产生的干扰。另一个R-EDG传感器用抗菌肽进行生物修饰，即所谓的BR-EDG，以定量监测皮肤上细菌的存在。在提供用于使用ANN算法获取生理特征的多维数据集后，可以触发TEE分解。
d）水触发和热调制瞬态的示意图。
e）不同甘油重量比的GEPC在50%相对湿度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）附着在猪皮基材上的GEPC薄膜的代表性粘附力曲线，在水处理之前/期间具有很强的粘附力，之后易于分离。上插图，实验装置的示意图。下插图，展示了GEPC薄膜（3×3cm2）完全支撑毛状皮肤上的400g肿块，而不会留下粘性残留物或在水触发脱离后引起炎症反应。
g）在水处理之前/期间/之后，GEPC薄膜的剥离力与位移的关系曲线。插图，实验装置的示意图。
h）市售贴片在剥离过程中/剥离后会造成严重的皮肤损伤，与我们的无损伤且环保的可触发分离设计进行比较。
GEPC具有广泛的适用性，其强大的粘合能力可以提供对许多常用物体的粘合。在GEPC基板上集成柔性导电材料的可行性极⼤地促进了表皮电极的制造。这种电极具有出色的鲁棒性、延展性和低阻抗性能，可与皮肤结合以进行高保真电生理信号记录。
因为在实际应用中，长时间户外活动期间恶劣和波动条件下的污染和干扰可能会影响可靠性，因此化学传感器的选择性和校准至关重要。为此，使用两个基于R-EDG的对称传感器，具有更高的灵敏度，以实现皮肤上的原位校准细菌监测。
使用肽包被后R-EDG衍生的BR-EDG传感器能够以高灵敏度检测皮肤上的细菌。如图2f所示，细菌的数量和类型都会影响电阻响应，这表明BR-EDG传感器适用于实时分析细菌的存在。TEE方法将BR-EDG传感器与R-EDR传感器集成在⼀起，从而允许根据环境变化实时校准传感器读数。
图2.可穿戴瞬时表皮电子（TEE）系统的性能表征。
a）表皮电极的薄层电阻作为施加到银纳米线（AgNWs）的负载的函数。插图：频域中的电极阻抗。
b）当表皮电极受到循环弯曲时的归一化电阻变化。插图：释放（左）和弯曲配置（右）。
c）表皮电极在环境条件下储存时的归一化电阻变化。插图：在8×8点网格上测量的薄层电阻的区域映射。
d）R-EGD传感器在施加拉伸应变下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传感器的归一化电阻变化作为温度和湿度的函数。
f）不同大肠杆菌浓度（CFUmL-1）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与病原菌的结合。
TEE的性能为遇水引发分解完全湿后性能稳定，完全脱水后快速降解。TEE与皮肤之间的接触更贴合，并且在变湿后性能稳定。TEE的亲肤分离和生态友好降解基于水触发的可分解GEPC基板。GEPC可以通过设置水量阈值，若小于则共聚物在干燥后将保持坚固和稳定，以防⽌错误触发分解。由于基于AgNWs的表皮电极的高导电性和耐汗性，我们可以使用TEE在剧烈运动期间检测许多电生理信号。使用R-EDG传感器作为电加热器来控制TEE的热调制寿命，从⽽调节水蒸发速度，从⽽调节器件分解速率。
图3.TEE的遇水引发分解，完全湿后性能稳定，完全脱水后快速降解。
a）示意图说明了瞬态过程中的化学变化。
b）在水处理和随后的脱水过程中，基于GEPC的电极的归一化电阻和相应的归一化质量。
c）演示基于GEPC的电极（粘贴在纸上）在电路中的瞬态过程中的电导率变化，其中电极将电源连接到发光二极管。
d）使用基于GEPC的电极和商业贴片在完全潮湿的条件下监测EMG信号。灰色区域描述了运动发生的时间。
e）基于GEPC的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引起的电阻降低，随后伴随器件分解迅速增加。右侧面板，基于R-EDG的传感器在可见光和红外光下的照片，该传感器可以用作可穿戴加热器，通过连接到5V电源来调节瞬态寿命。
将亲肤TEE阵列与配套的ANN算法相结合的系统能够准确获取生理状态。TEE演示系统示意图如图4a所示。TEE阵列主要由3对TEE组成，分别连接到用于ECG的左胸、用于EOG的眼角和用于EMG的手臂。从TEE阵列提供的信号首先由多通道数据采集器采集，随后将所有采集的数据发送到计算机。使用指定的信号处理算法来处理原始数据，提取了12个特征，并将其设置为一个输⼊向量，供有监督的ANN模型进行分类，训练数据库的测试准确率达到了96.9%。
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BR-EGD传感器监测，并使用基于R-EDG的传感器作为校准（控制）。图的右侧示意性地描述了ANN的架构和四个典型的输出分类。生理状态是剧烈（运动前）、运动、疲倦（运动后）和受刺激（摄入兴奋剂，例如咖啡因）。
b）体育锻炼期间的典型电生理信号由一组附着在不同皮肤位置的TEE监测。
c）传感器的归一化电阻和校准结果，表明汗液引起的皮肤细菌特征在运动期间和运动后增加。灰色区域代表受试者跑步的时间。
d）后训练模式识别人工神经网络的测试混淆矩阵，优化后的准确率高达96.9%。
e）使用训练后的ANN对人类受试者24小时内的日常运动的新输入进行分类。受试者从第1个小时开始跑步到第2个小时，并在第4个小时饮用含咖啡因的能量饮料。
本设备使用丝蛋白作为瞬态基质，实现强粘附和易于分离的能力，用于生物相容性和水分解表皮电子学，用于实时多模式生理监测。与其他表皮设备相⽐，该设备在日常应用中具有优势如下：
1）对干燥、潮湿、油性和多毛的皮肤具有普遍强的装置附着力，并且在剥离过程中不会对皮肤造成刺激、疼痛或损伤；
2）潮湿条件下器件在粘附强度和传感能力方面的良好性能；
3）通过采用双传感器和自参考设计进行原位校准，设备对环境变化几乎不敏感；
4）由电气和生化传感器测量的多维生理参数，可以使用ANN算法进行更准确和稳健的分析。
参考链接
Skin-Friendly Electronics for Acquiring Human Physiological Signatures
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