近年來，可穿戴智能電子設(shè)備發(fā)展迅速，其中可用于監(jiān)控人體多種生理信號的電子皮膚作為一個新興且前景廣大的領(lǐng)域引來了越來越多的關(guān)注。然而，當前這些可穿戴電子往往只能在人體處于靜態(tài)條件下獲得較好的信號，而當人體在行走或處于其他運動中時，采集到的信號很容易收到較大的干擾，即運動偽影(Motion artifact)現(xiàn)象。運動偽影極大的阻礙了可穿戴電子在日常生活和醫(yī)療中的實際應(yīng)用。如何減輕甚至消除運動偽影是可穿戴電子領(lǐng)域的一項重要挑戰(zhàn)。
最近美國休斯敦大學(xué)(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授課題組近期以“Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment”為題在Nature Communications雜志上報道了一種新型的生醫(yī)電路。不同于目前大多數(shù)電子貼片類型的可穿戴器件，此類電路是直接“寫”在皮膚上的(Drawn-on-skin electronics：DoS electronics)。這種新形式的生物電路可以用于監(jiān)測各種電生理信號同時不受運動偽影的影響，也可以用于促進任意形狀皮膚傷口的愈合。
除此之外，該DoS electronics技術(shù)還具備以下優(yōu)點：1）可以直接寫出各種電子器件，比如晶體管，傳感器；2）直寫電路的工具很簡易 –墨水筆配上電子墨水， 制作方法非常簡單–寫或者畫；3）電路可以寫在不平整的皮膚表面，生醫(yī)電路直接寫到皮膚上而不是貼到皮膚上；4）電路損壞后易于修復(fù)–重復(fù)寫；5）電路與皮膚的界面緊密連接而不受運動影響；6）可以監(jiān)測到多種電生理，物理信號而不受運動偽影的影響；7）不僅可以用于檢測，還可以用于治療，比如任意形狀的皮膚傷口的愈合。
該器件的制備不需要任何復(fù)雜儀器，用一根普通的圓珠筆灌上各種電子墨水，再輔以電路模板即可在皮膚上直接寫出各種電路。這些電子墨水包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)。將電子墨水直接寫在皮膚上的制備工藝可以使液態(tài)墨水充滿皮膚表面的微觀結(jié)構(gòu)，從而使電路緊密、牢固且不受皮膚運動影響地貼合在人體皮膚上。
圖1：DoS電路制備流程
研究人員在仿制皮膚及人體皮膚上測試了多種DoS傳感器的性質(zhì)。包括晶體管、應(yīng)力傳感器、熱激勵器、溫度傳感器以及皮膚水分傳感器等器件在被拉伸的條件下進行了測試。同時，研究人員通過一套藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使DoS生物電路及傳感器可以無線地對人體進行心電圖信號監(jiān)控。
圖2：應(yīng)用于人體生理信號監(jiān)測的DoS傳感器
同時，研究人員對比了DoS電極、商業(yè)凝膠電極以及超薄蛇形網(wǎng)狀電極在不同條件下測量人體皮膚電生理信號時的性能。通過對比發(fā)現(xiàn)，DoS電極在皮膚出汗情況下測試、耐久測試以及與皮膚的粘著力測試中都表現(xiàn)出等同或超出其他器件的性能。在另一項運動偽影影響的測試中，研究人員用三種電極測試了皮膚在被間隔性拉伸或收縮，以及處于振動條件下的心電圖信號。實驗結(jié)果表明相比于另外兩種器件，DoS電極對于抑制運動偽影的影響以及提高信噪比等方面有著明顯的優(yōu)勢。
圖3：運動偽影對DoS電極、商業(yè)凝膠電極以及超薄蛇形網(wǎng)狀電極性能影響的對比
此外，研究人員嘗試將DoS電路應(yīng)用于即時皮膚創(chuàng)傷治療。如前所述，DoS傳感器的一大優(yōu)勢就是其簡單、不需要復(fù)雜的儀器的制備流程，這一優(yōu)點使其在有限資源地區(qū)（如戰(zhàn)場）有較大的應(yīng)用前景。DoS電路應(yīng)用于皮膚創(chuàng)傷治療的另一大優(yōu)勢是其可以針對傷口的形狀和大小進行電路的訂制。研究人員通過DoS電極對一只老鼠背部皮膚傷口的上半部分進行電刺激，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被刺激的部分傷口愈合得更快，以此驗證了將DoS電路應(yīng)用于即時皮膚創(chuàng)傷治療的可行性。
圖4：DoS電極可加速皮膚傷口愈合
該研究工作提出了一種直接寫在皮膚上的新型生物電路，憑借其簡單且可訂制的制備流程、不受運動偽影影響、以及具備多種功能（可監(jiān)測也可治療）等優(yōu)點，此技術(shù)為柔性可穿戴電子器件的發(fā)展提供了一個新的思路。同時，此技術(shù)也還具有諸多可以進一步發(fā)展完善的地方，包括對墨水材料、器件結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化以及更多復(fù)雜功能的集成等等。
文章的第一作者是休斯頓大學(xué)余存江教授課題組的博士生Faheem Ershad，其他作者包括余教授課題組的學(xué)生Anish Thukral，Phillip Comeaux，Ross Guevara, 路運濤，Hyunseok Shim, 饒州鋁，張永操，潘鳳嬌，王旭，博士后管英士, Kyoseung Sim(現(xiàn)為韓國UNIST助理教授), 以及蘭州大學(xué)的訪問學(xué)者王鵬博士，等等。文章作者還包括合作者來自于美國芝加哥大學(xué)吳小陽教授以及課題組的Jiping Yue博士。文章的通訊作者為余存江教授。
文章鏈接：
Faheem Ershad, Anish Thukral, Jiping Yue, Phillip Comeaux, Yuntao Lu, Hyunseok Shim, Kyoseung Sim, Nam-In Kim, Zhoulyu Rao, Ross Guevara, Luis Contreras, Fengjiao Pan, Yongcao Zhang, Ying-Shi Guan, Pinyi Yang, Xu Wang, Peng Wang, Xiaoyang Wu, and Cunjiang Yu*, Ultra-Conformal Drawn-on-Skin Electronics for Multifunctional Motion Artifact-Free Sensing and Point-of-Care Treatment, Nature Communications, 11, 3823, 2020. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17619-1
余存江教授簡介
余存江現(xiàn)為美國休斯敦大學(xué)機械工程系Bill Cook副教授，并兼任于電子與計算機工程以及生物醫(yī)學(xué)工程。獲得NSF CAREER Award, ONR Young Investigator Award, MIT Technology Review Inaugural Chinese Top Innovators, SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award, etc。課題組目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。目前課題組畢業(yè)學(xué)生出路主要為博后和教職。課題組網(wǎng)頁:http://yu.me.uh.edu/
課題組近期代表作：
Nature Communications, 11, 3823, 2020. Nature Communications, 11, 2405, 2020. Science Advances, 2020. Nature Electronics, 2020. Science Advances, 5, eaax4691, 2019.
Nature Electronics, 2, 471, 2019. Science Advances, 5, eaav9653, 2019. Science Advances, 5, eaav5479, 2019. Science Advances, 3, e701114, 2017. Science Advances, 3, e1701222, 2017.
招生信息：
課題組現(xiàn)招收1名博后(組織工程，器官芯片)以及若干名博士生(有機及無機電子，生物醫(yī)學(xué)工程)
