摘要：可拉伸的类皮肤电子设备提供了一种多功能的非侵入性皮肤接口方法，可以获取关键的生理健康数据或提供治疗刺激和药物。与传统的刚性技术相比，这些平台具有类似于表皮的机械特性，这种无缝的共形界面有助于高保真生物信号采集，同时最大限度地减少对运动伪影的敏感性。在医疗保健领
第一作者：Seyed Sajjad Mirbakht
通讯作者：Murat Kaya Yapici
通讯单位：萨班哲大学，华盛顿大学
DOI: 10.1002/advs.202405988
可拉伸的类皮肤电子设备提供了一种多功能的非侵入性皮肤接口方法，可以获取关键的生理健康数据或提供治疗刺激和药物。与传统的刚性技术相比，这些平台具有类似于表皮的机械特性，这种无缝的共形界面有助于高保真生物信号采集，同时最大限度地减少对运动伪影的敏感性。在医疗保健领域，它们的应用范围很广，包括评估皮肤热变化，创新的伤口敷料技术，监测皮肤水合水平，评估睡眠质量，直接在皮肤表面检测生物标志物，以及具有电磁屏蔽特性的多功能检测。在软机器人技术中，这些设备在为假手提供感官反馈和为交互式人机界面提供电触觉刺激方面发挥了关键作用。它们的效用通过能量收集方法进一步扩展到自供电电子设备。
类皮肤生物电子学的制造，特别是那些利用基于光刻的洁净室程序的生物电子学，由于其能够实现高图案分辨率和质量，在推动该领域向前发展方面发挥了重要作用。然而，这些过程的复杂性和资源密集性暗示了探索替代方法的潜力，特别是当应用于为一次性和一次性使用而设计的产品时。这是因为洁净室过程需要一个受控的环境，其建立和维护可能会产生巨大的成本和能源。这些过程的固有复杂性可能会导致维持精确控制的成本和挑战增加，可能会使制造过程复杂化，并推高最终产品的成本，从而限制其更广泛的使用。鉴于替代性、无洁净室的增材制造技术提供的独特机会，将类皮肤电子产品从学术研究原型过渡到临床级可扩展技术是可行的。这可能会使很大一部分人口受益，并保持环保的生产周期。
事实上，人们也对化学合成塑料和聚合物的环境影响表示担忧。这些材料在单次使用后处理时通常会经历长时间的自然降解。使这一问题更加复杂的是，一次性电子产品的数量不断增加，极大地加剧了电子废物（电子废物）的问题，预计到2030年将达到惊人的7400万吨。
所有皮肤界面可穿戴设备之间的另一个共同挑战仍然是类皮肤生物电子的生物相容性有限，长期使用会带来潜在的不适和皮肤刺激。这种不适可能源于使用非有机或潜在危险材料，并破坏皮肤的自然经表皮水分流失和空气渗透。[28]此外，皮肤电子设备持续暴露于皮肤、汗液和油脂的自然变形中，这是一个重大挑战。这些设备与皮肤之间的弱粘合通常会导致分离，从而导致性能问题，如信号记录过程中的数据丢失和连续监测中断。由于其固有的较低粘合能量，对于依赖低范德华力进行粘合的皮肤电子设备来说，这个问题尤其明显。
解决这些问题对于确保类皮肤生物电子学在持续的长期医疗数据收集和生命体征跟踪应用中保持功能和舒适性至关重要。生物聚合物，包括蚕丝、纤维素、甲壳质和木质素，由于其固有的生物相容性和广泛的可用性，正被公认为生物电子学发展的强大生物材料。蚕丝因其独特的自然结构、可调的机械性能、自愈性能、和降解特性而成为各种医疗应用的主要候选者。各种形式的蚕丝，如海绵、水凝胶、贴片和纤维，已被探索用于药物递送、伤口愈合和生物信号采集。
最近的进展精确地利用钙离子（Ca2+）来定制蚕丝的特性，如模量、粘附性和降解率，从而增强了其对类皮肤电子产品的适用性。如果调整得当，这些特性使蚕丝成为此类应用的理想基材。例如，基于蚕丝的类皮肤生物电子学的自粘性在连续生理信号记录中起着关键作用。然而，虽然强大的粘附力对于准确的数据捕获至关重要，但它也可能带来挑战，特别是对于皮肤娇嫩的人，如老年人和新生儿。它们较薄的皮肤层和较高的经皮失水率使它们的皮肤更容易受到刺激和损伤。通过细致的材料性能调整来平衡水溶性和粘附性是关键。这确保了电子产品与皮肤的充分粘附，同时通过简单的清洗可以轻松去除，从而减轻潜在的皮肤损伤。实现这种平衡有望保持数据采集的有效性和弱势群体的皮肤健康。本文亮点
1. 本工作提出了喷墨图案化的基于蛋白质的类皮肤蚕丝生物电子学（silk BioE），它整合了现有设备中单独存在但从未组合成单个实施例的所有所需材料特征。
2. 该一体化解决方案具有优异的自粘性（300 N m−1），无需合成粘合剂，高透气性（1263 g h−1 m−2），以及在土壤中仅需2天即可快速生物降解。3. 弹性模量≈5 kPa，可拉伸性超过600%，软电子设备无缝复制表皮的力学，即使在严重出汗的身体多毛区域也能形成保形的皮肤/电极界面。
4. 结合灵活的读出电路，Silk BioE可以实时无创地监测生物信号（即心电图、脑电图、EOG）长达12小时，并与Ag/AgCl电极进行基准测试。
图文解析
图3. 表面形貌和防水粘附的皮肤像蚕丝生物电子学（silk BioE）。a）silk BioE的原始蚕丝基材部分的SEM图像，b）带有喷墨打印AgNP图案的silk BioE，以及c）放大silk BioE.的AgNP部分的SEM照片。AFM图像显示：d）表面拓扑，e）蚕丝基材的3D形貌，f）在浸入水中之前、手完全浸入水中期间、手部分浸入和部分暴露于空气中以及从水中取出后，在水下评估silk BioE在皮肤上的粘附质量，以及g）在流水下的silk BioE在皮肤上。
图4. 类皮肤生物电子学（silk BioE）及其柔性读出电路的机械性能。a） 蛇形设计的几何形状。b） 喷墨打印机头的AgNP喷射轮廓。c） Silk BioE在皮肤上进行（i）拉伸、（ii）压缩和（iii）扭转运动。d） 将Silk BioE附着在多毛皮肤区域的可行性。e） 贴片在20%拉伸和释放试验下的电阻变化。f） 贴片在100次循环拉伸释放中的阻力变化曲线。g） 柔性电路（i）在曲面上（插图：电路不同部分的框图），（ii）用手折叠，（iii）用手弯曲并显示系统的不同部分。日间行车灯：右腿驱动。BLE：低功耗蓝牙。放大器：仪表放大器。ADC：模数转换器。SPI：串行外设接口。
图5. a） 使用类皮肤生物电子学采集心电图信号。b） 根据记录的心电图信号估计心率，识别P-QRS-T复合波。c） 记录心电图信号的功率分析。d） 心电图记录用Silk BioE放置的示意图。e） Silk BioE集成了灵活的信号采集单元。f） 在12小时内使用Silk BioE进行扩展心电图监测。g）比较“软”Silk BioE和商业“湿”Ag/AgCl电极之间的皮肤电极阻抗，插图显示了阻抗的说明性电模型。
图6. 使用Silk BioE进行EMG和EOG记录：a）将Silk BioE电极放置在肱二头肌上进行EMG监测。b）在举起各种哑铃时，在肱二头肌的收缩和放松阶段实时记录EMG信号。c） 将EMG信号的曲线下面积（AUC）与不同哑铃重量的重量联系起来的校准曲线，可用于量化训练中的运动强度或通知/预测肌肉疲劳。d） EOG记录的电极放置。e） Silk BioE在左右眼旋转过程中采集EOG可用于活动识别和移动人机交互（HMI）。f） EOG功率谱密度分析。
图7. 使用Silk BioE进行EEG信号采集：a）示意图，说明Silk BioE电极在Fp1和A1上的放置，用于EEG采集。b） 在参与者的睁眼和闭眼状态下捕获时域EEG信号。插图强调在交替眼球运动过程中观察到的频率变化。c） Silk BioE与用于EEG信号采集的柔性信号采集板的集成描述。d） EEG信号的频域表示，突出了闭眼状态下α波频率的出现。e） 展示EEG记录光谱分析的功率谱图。
来源：华算科技