摘要：随着老龄化社会的到来，可穿戴生物医学设备领域迅速发展，突出了个性化医疗保健。对于通过可穿戴设备进行以用户为中心的医疗保健，已经在各种方法和可穿戴配置中进行了许多研究，如腕带、电子皮肤、纺织品、微针和隐形眼镜等。这些研究主要集中在有效的生物传感，以发现生理因素或
第一作者：Hyeokjun Lee，Soojeong Song
通讯作者：Kyung-In Jang
通讯单位：大邱庆北科学技术院
DOI: 10.1038/s41467-025-55951-6
随着老龄化社会的到来，可穿戴生物医学设备领域迅速发展，突出了个性化医疗保健。对于通过可穿戴设备进行以用户为中心的医疗保健，已经在各种方法和可穿戴配置中进行了许多研究，如腕带、电子皮肤、纺织品、微针和隐形眼镜等。这些研究主要集中在有效的生物传感，以发现生理因素或通过药物输送及时治疗。在生物传感方面，通过每种传感机制都检测到了许多生理特征，如机械变形、化学分析、光学参数和电生理因素。此外，多重分析通过同时检测多种临床状况来加快健康监测和管理，提供了超越单一分析所能提供的全面信息。除了生物传感外，将生物传感系统和药物输送系统作为闭环系统的结合对于满足个人医疗保健要求和克服被动治疗的局限性至关重要。人们已经做出了广泛的努力来开发闭环电子系统，该系统通过可穿戴或植入式方法集成了生物传感和刺激。然而，在单个设备内实现生物传感和受控药物输送的同时功能仍然存在许多挑战。例如，已经开发出自动微针贴片，可以对热量、机械应变、葡萄糖浓度和低氧等外部刺激做出反应。然而，在微针本身中实现传感和药物输送功能在提供复杂的生物特征信息和确保连续使用方面存在局限性。这些局限性可以通过将独立的多路复用生物传感模块与独立的可控药物递送模块集成来克服，但这种系统尚未开发出来。此外，对于可穿戴应用，生物传感和药物输送装置必须结合灵活性和可拉伸性，确保与皮肤的适形接触。尽管已经开发了许多超薄和灵活的设备来实现共形触，但将其扩展到系统级别需要集成各种组件，如电源管理、通信模块、信号处理模块和药物装载室。试图将这些笨重而刚性的组件与传感器和药物输送单元一起整合到软基板上的单层结构中可能会带来重大挑战。例如，由于皮肤变形，这种配置会在刚性和柔性组件之间的界面处产生应力集中，增加设备分层的风险。这种不稳定性会破坏设备与皮肤的亲密接触，从而对感测数据的质量和药物输送的有效性产生负面影响。为了解决这些问题，多层方法至关重要，因为它允许跨不同层进行更有效的集成和压力管理。多层结构可以更均匀地分布机械应力，改善对动态皮肤运动的机械适应，并提高空间效率，而不是将其分散在单个平面上。作为集成方法之一，堆叠通孔工艺已被广泛使用。传统电子产品已经建立了可靠的通孔制造和填充方法；然而，当应用于柔性和可拉伸的印刷电子产品时，这些方法存在局限性。通孔结构的设计根据其应用（例如，电连接、光路或流体通道）而变化，需要与不同材料（如导电浆料或SU-8）精确对准和集成，这增加了工艺复杂性。此外，可穿戴设备中常用的柔性材料，如聚酰亚胺、Ecoflex和PDMS，表现出不同的热膨胀系数（CTE），增加了对齐不匹配的风险。在钻井过程中，这些材料也容易损坏，引发了人们对流体泄漏和设备完整性的担忧。
作为通孔工艺的替代方案，已经开发出一种方法，在单层中制造整个系统，然后一次性折叠。尽管折叠方法在完整性和功能性方面具有这些优点，但可穿戴设备的折叠结构迄今为止仅应用于在折叠结构中实现电连接。这种方法通过去除通孔简化了制造过程，促进了多种模态的集成。此外，它允许与皮肤进行适形接触，即使包含刚性组件，从而实现有效的多模式生物传感和药物输送。
本文亮点
1. 本工作介绍了一种通过折叠结构将软区和应变鲁棒区分离的多模态非均匀皮肤贴片。
2. 我们的系统包括用于血流动力学和心血管监测的电气和光学模式，以及用于药物输送的电动微泵。每种模式都通过按需药物输送、基于柔性波导的PPG监测以及心电图和身体运动监测进行演示。
3. 无线数据传输和实时测量验证了多种模式的反馈操作。
图文解析
图1. 用于同时监测和刺激的具有折叠结构的微小异质斑块的示意图。
a fMMD与化学、光学和电学模态的多层组件的集成和折叠过程。每种模态分别由红色、绿色和蓝色框表示。每个组件都被设计成分为刚性层和软性层。b用红色、绿色和蓝色方框标记的化学、光学和电学模式的示意图。c fMMD的整体系统图，显示了功能组件，分为芯片集成（刚性）和皮肤接口（软性）区域，用于亲密皮肤接触。d包裹的fMMD在扭曲下的照片。比例尺，2 cm。e胸部附有封装的fMMD照片。比例尺，插图显示了一张照片，显示了光波导在折叠状态下的光导。f根据系统集成和功能，对拟议的fMMD和之前报告的设备进行图形比较。
图2. fMMD的设计和机械性能。
a 岛桥基板的原理图设计。化学、光学和电气模块附着在基板上，通过蛇形互连（黑色虚线框）确保结构稳定性。b附着在皮肤上的fMMD照片，代表不同的形态。c基板与模块的折叠过程和FEA模拟导致每个步骤的蛇形互连上的应变。d对用蛇形线与直线设计的互连在折叠状态下的主应变进行力学分析。e折叠过程中蛇形和直形互连的最大应变比较。f多变形模式（拉伸、弯曲、扭曲）下fMMD的应变和应力。通过横截面（黑色虚线框）的应力分析，观察到施加到皮肤界面层的变形的应变隔离效应。
图3. 蠕动泵按需给药装置的设计和操作。
a基于微泵的微流体系统的分解图，该系统由带有药物储器的软药物输送通道、泵送膜层和用于热气动泵送致动的微加热器阵列组成。b折叠状态下药物输送模式的光学图像。药物储存器位于fMMD的上部区域，微针阵列位于微流体通道的末端，以穿透皮肤并经皮输送液体药物。比例尺，分别为1、5和2毫米。c有限元分析模拟显示了折叠过程中DDD微流体通道上的应力分布。d展开与折叠状态下同一位置通道中的速度幅值分析。折叠前和折叠后沿微流体通道（e）的速度分布和压力梯度（f）。g折叠过程中微流体通道横截面积和应力模拟结果的变化。h折叠状态下的总输送流体体积以及折叠和展开状态之间的输送体积差。i蠕动泵操作演示。比例尺，1 cm。j DDD的流速取决于泵送机构的开关频率。误差条表示根据每个泵送频率（n=3，独立测量）。
图4. 基于柔性单片PDMS波导的光学表征和生物传感。
a带有一对柔性PDMS波导的光学生物传感模态的分解图，与激光二极管和光电探测器对齐。b与光纤对齐的折叠状态下PDMS波导的光导效应的光学图像（弯曲半径，250 µm）。比例尺，500 µm。c由LD和单片PDMS波导（波长650 nm）组成的光传输系统的光学图像。d射线光学模拟模型，显示了柔性波导的光导性能因折叠而发生的变化。光在由两种折射率不同的PDMS材料组成的折叠波导内被引导，如上图虚线框所示。波导的末端被切割用于平面外反射，这允许光垂直于皮肤被引导，如下图虚线框所示。e柔性PDMS波导在折叠和不折叠情况下的透射率比较。根据（f）传播损耗、（g）拉伸损耗和（h）沿PDMS波导在650 nm处的弯曲损耗进行光学表征。i有限元分析模拟显示了从波导45°边缘切割表面照射到皮肤组织中的光的扩散分布（j）使用基于PDMS波导的光传输和接收系统进行实时PPG监测。
图5. 实时多路监控和闭环操作的fMMD演示。
a展示fMMD整体功能的电路图。b显示用于多电生理信号监测的fMMD附着位置的示意图（病例1）。单点多模式生物传感）。c演示fMMD作为心电图、心率、皮肤温度和桌面工作和行走时身体运动的电生理监测工具的应用。d显示脉冲到达时间监测的fMMD连接位置的示意图。每个虚线框表示连接到佩戴者胸部和手臂的MMD（情况2）。多点单模生物传感）。e电光生物传感心电图和PPG的测量结果。f根据黑色虚线框中突出显示的每个波形峰值之间的时间间隔计算PAT。g通过心电图监测和药物输送触发显示fMMD反馈操作原理的示意图（案例3。单点多模式反馈操作）。h实时测量微加热器的心率和温度，指示药物输送操作的启动。当心率超过120 bpm时，药物输送会自动触发（补充电影2）。i假药物递送触发前后fMMD的红外热图像。
来源：华算科技
