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  皮膚接口的可穿戴電子產(chǎn)品因其在預防性監(jiān)測、診斷確認和方便的治療選擇方面扮演著獨特的角色而備受關(guān)注。這些生物集成設(shè)備能否被實際應(yīng)用取決于人體傳感器與無線傳輸模塊的良好結(jié)和。多功能人體傳感器可以精確、連續(xù)地監(jiān)測人體的健康狀況，而無線傳輸模塊可以無線地為傳感器供電和傳輸數(shù)據(jù)到云端，供醫(yī)護人員使用。作為集成系統(tǒng)一個有前途地發(fā)展方向，柔性體傳感器網(wǎng)絡(luò)包括用于生理信號監(jiān)測地人體傳感器和用于信號調(diào)節(jié)/讀出和無線傳輸?shù)娜嵝噪娐钒濉?

  柔性體傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)目前依賴于各種復雜的制造技術(shù)，從光刻、轉(zhuǎn)印到直接印刷。大量的研究工作致力于探索可穿戴電子產(chǎn)品在紙/織物或人體皮膚上的集成。然而，到目前為止，缺少一種簡單而通用的方法來制造柔性體傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有模塊，這是因為在人體皮膚上進行低溫加工易于去除的傳感器具有非常大的挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)工藝需要昂貴的設(shè)備和復雜的工藝，并且增加電子產(chǎn)品的垃圾廢物，因此開發(fā)一種新的制造技術(shù)來解決這些問題就顯得迫在眉睫。

  來自哈爾濱工業(yè)大學和賓夕法尼亞州立大學的一個國際研究小組已經(jīng)做到了這一點，他們開發(fā)出一種簡單而又適合皮膚的皮膚接口傳感器制造技術(shù)。在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發(fā)表題為“Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring"的期刊雜志。哈爾濱工業(yè)大學與賓夕法尼亞州立大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生張玲為該論文第一作者，哈爾濱工業(yè)大學何鵬、趙維巍教授和賓夕法尼亞州立大學程寰宇助理教授為該論文共同通訊作者。論文獲得了中國國家自然科學基金、美國國家科學基金、賓夕法尼亞州立大學啟動資金、深圳市科技計劃、深圳市石墨烯制造創(chuàng)新中心的工業(yè)和信息管理局等項目的資助。

期刊封面

本文要點

  該團隊的制造技術(shù)依賴于聚乙烯醇膠水和納米顆粒添加劑的混合物制備成的燒結(jié)輔助薄層。從他們之前的研究中發(fā)現(xiàn)，納米銀墨水在包含TiO₂ 的高溫標簽紙上進行熱處理，燒結(jié)溫度可以從200?C降低到120?C。因此，該團隊選擇TiO₂ 作為添加劑開始進行研究。制備的燒結(jié)輔助薄層通過電荷中和反應(yīng)來降低燒結(jié)激活能，從而促進低溫燒結(jié)。通過實驗和相場模擬對該理論進行了論證。由于電荷中和需要陽離子基團，除TiO₂之外，他們還選擇了其他幾種金屬氧化物(Al₂O₃、MgO)、鹽(CaCO₃、BaTiO₃)和金屬(Cu)作為添加劑來證明這一理論分析。除此之外，燒結(jié)輔助薄層還降低了各種基板的表面粗糙度，以此可以在柔性基底上印刷超薄的金屬圖案層。樣品具有良好的機械性能，能夠進行各種彎曲和折疊的機械變形。他們將該方法應(yīng)用于印刷監(jiān)測生理信號的人體傳感器以及無線傳輸數(shù)據(jù)的紙/織物基柔性電路板上，為了系統(tǒng)說明該方法的應(yīng)用，他們將各種人體傳感器與柔性電路板進行集成，如下圖所示。

圖 1. 柔性人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理和概念驗證圖，該網(wǎng)絡(luò)由各種人體傳感器和柔性印刷電路版(FPCB)組成。a) 柔性人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念設(shè)計。b) 帶有多種人體傳感器的手。c) 血氧飽和度測量裝置。d) 紙基FPCB。

  該團隊制作的皮膚印刷傳感器可以精確、連續(xù)地捕捉溫度、濕度或局部濕度變化、血氧飽和度、心電圖和肌電圖等生理信號。與商用的產(chǎn)品進行比較，具有更高的信號質(zhì)量和更好的性能，為健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了一系列可穿戴電子產(chǎn)品。

  當大規(guī)模采用這種可穿戴電子產(chǎn)品時，去除和環(huán)保處理成了一個問題。該團隊研發(fā)的產(chǎn)品，可以在溫水中清洗去除，此外，應(yīng)用的材料具有生物相容性，毒性小，可用于綠色電子、生物集成電子甚至是可植入式設(shè)備。

  討論了可延展壓電材料和結(jié)構(gòu)及在自供電可穿戴和可植入式醫(yī)療器件中的應(yīng)用所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。對一些新型的壓電材料（如透明壓電材料）和可延展壓電結(jié)構(gòu)（如3D屈曲結(jié)構(gòu)）在新興醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展前景進行了討論和設(shè)想。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c11479