马良的神笔现实版！华人科学家用普通铅笔在皮肤上画出多种可穿戴设备！
现在最新的皮肤上电子设备经常遭受昂贵的前体材料，昂贵的制造设备，复杂的制造过程以及有限的可处置性的困扰。如，目前皮肤上电子设备的成熟制造过程通常与旋涂，光刻，真空沉积和干/湿蚀刻有关，这些都是复杂、耗时和昂贵的；3D打印技术可以实现柔性设备的简单且可扩展的制造，但通常会遭受昂贵的设备，墨水配方中繁琐的工作以及复杂的后打印过程的困扰。另外，还有面临电子垃圾的不可降解性的问题。昂贵的前体材料，昂贵的制造设备和复杂的制造工艺削弱了它们的潜力。
既然现有的材料这么贵和难以降解，有没有更便宜和又方便降解的材料呢？
科学家们想到了纸笔！
我们先来动图感觉下它有多酷炫：
带有LED和电池的铅笔纸电路
EMG记录
水溶解性
我们知道，纸已有2000多年的历史，它可在6周内完全分解。此外，与聚对苯二甲酸乙二醇酯（≈2美分dm-2）和聚酰亚胺（≈30美分dm-2）等聚合物基材相比，纸是最便宜的材料之一（0.1美分dm-2）。此外，它们的高柔韧性和透气性可以使它们在皮肤电子产品中的应用受益。
铅笔是16世纪发明的，铅笔芯由精细的石墨粉和各种添加剂组成，根据这些铅笔，铅笔分为“ H”和“ B”类。H和B分别指硬度和黑色度。在书写周期中，由于铅笔芯和粗糙且多孔的纸质基材之间的摩擦，石墨颗粒被擦去，其中导电性石墨薄片被转移到纸张上。
图整理自网络
尽管它们在超级电容器和应变仪中的应用近来取得了进展，但基于铅笔纸的皮肤电子设备可以长期粘附在人体上，以高保真的方式记录重要的生物物理和生化信号，从而收集能量仍然缺乏环境湿度和程序化的物理和化学干预措施。
鉴于此，美国密苏里大学哥伦比亚分校闫政教授课题组探索了使用商用9B铅笔在常用办公复印纸上绘制的各种生物电子设备的铅笔图。相关成果以题为“Pencil–paperon-skin electronics”发表于国际顶刊杂志PNAS上。
在这里，高石墨含量可以在纸上绘制高电导率图案，此处使用的9B铅笔的石墨粉含量约为93％，研究人员特别发现，含有93％石墨的铅笔是制造在商用办公复印纸上绘制的各种皮肤上生物电子设备的最佳选择。通过石墨图案用作导电迹线和感应电极，纸用作柔性支撑基板以及环境湿度能量收集器的基础材料。此外，将微量的粘合剂材料喷涂到铅笔-纸皮肤电子产品的裸露区域，改善皮肤设备的附着力。
示意图
研究人员通过用铅笔画出表面网状、蛇形布局的皮肤生物电子设备典型光学图像，包括温度传感器，电生理（即生物电势）传感器，电化学汗液传感器，焦耳加热元件和环境湿度能量收集器。这些电路不简单，因为它们具有以下多种功能：
1）以实时，连续和高保真的方式记录来自人体的各种重要生物物理信息[包括皮肤温度、心电图（ECG）、肌电图（EMG）、α、β和θ节律、瞬时心率和呼吸频率]，以及提供程序化的热刺激；
图|铅笔纸皮肤生物物理传感器和热刺激器的人体评估
图|通过实时脑电记录监测大脑活动
2）原位汗液生化分析以及生物物理信号的实时测量可以提供人类健康状况的动态和完整信息。本文开发的基于铅笔纸的汗液pH，UA和葡萄糖传感器能以高灵敏度和高选择性就地分析三种概念验证的汗液生物标志物，包括pH，尿酸（UA）和葡萄糖。值得注意的是，记录的信号质量与用传统方法测量的信号质量相当。
图|基于铅笔纸的pH，UA和葡萄糖传感器的表征和排汗分析
3）在超过2小时的时间内，每单位（0.87 cm2）产生高达480 mV的持续电压，表明其性能与最近开发的由先进功能材料（例如氧化石墨烯，聚电解质膜）制成的湿度能量收集器相当。
另外，作为皮肤化学干预的一个例子，开发了一种自供电（利用环境湿度发电）的透皮药物递送系统：基于泊洛沙姆407的水凝胶被用作药物载体，而阳离子罗丹明B染料被用作模型药物。在猪皮上证实了透皮给药。在这项研究中，该设备与八个并联的能量收集单元组合在一起，用于在〜95％的相对湿度下为离子电渗疗法提供刺激电。如荧光图像所示，通过离子电渗疗法，模型药物已沿着电流流动方向成功地从水凝胶传输到猪皮肤。
此外，还研究了基于铅笔纸的天线，带有LED和电池的2D / 3D电路，可生物降解的电子产品（基于水溶性纸）和可重新组装的组件。
图|铅笔纸的湿式能量收集器的特性分析和自供电式皮肤上透皮药物传递系统的演示
小结：
通过使用广泛使用的铅笔和纸作为工具，开发了各种具有成本效益的一次性皮肤电子设备，从生物物理传感器和汗液生化传感器到热刺激器，湿度能量收集器和透皮药物输送系统。此外，还演示了基于铅笔纸的天线，二维和三维电路以及可重构结构。启用的设备因其低成本的资源，便捷的操作，节省时间的制造以及丰富的潜在设计而可以找到广泛的应用，特别是在资源匮乏的环境和以居家为中心的个人医疗保健中。
写在最后:
科学家的奇思妙想，是不是来源于小时候听到的童话故事呢？科研中保持童真去发现不一样，你我也有神笔！
参考文献：
YadongXu, et al., Pencil–paper on-skin electronics. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences (2020).
DOI:10.1073/pnas.2008422117
https://doi.org/10.1073/pnas.2008422117