综述：用于健康监测系统的电子皮肤研究进展

MEMS 2024-05-27 00:01

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随着生活水平的提高，人们越来越关注健康问题。实时监测人体的生物信号可以有效地诊断早期疾病，并为后续治疗提供强有力的数据支持。传统的健康监测系统通常需要大型精密仪器，并且只能针对住院患者的短期监测。商用可穿戴电子设备的出现正逐渐改变这种局面，推动健康监测系统向可用于家庭诊断和治疗的便携化和智能化方向发展。然而，商用的刚性可穿戴电子设备无法很好地适应生物界面，降低了诊断效率和准确性，离子渗透性和金属毒性也导致其生物相容性低，产生过敏反应和炎症。因此，受人类皮肤的启发，柔软、可拉伸并且高生物相容的电子皮肤随着柔性材料和加工技术的创新应运而生。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院的陈玉洁副研究员、范群福助理研究员及博士研究生杨茜晨等人在Advanced Materials期刊上发表题为“Electronic skin for health monitoring systems: Properties, functions and applications”的综述文章。该文章总结了电子皮肤健康监测系统在所需特性、功能以及集成系统的应用方面的研究进展（图1），讨论了该领域目前面临的挑战和未来的发展方向。

图1 电子皮肤健康监测系统的代表性特性和应用实例

人类皮肤有几个独特的特性，因此，电子皮肤作为一种模仿其功能和特性的柔性电子设备，也应该具有这些基本特性，如可拉伸性（图2）、自愈合性（图3）、生物相容性、生物可降解性和传感性能（图4、图5）。可拉伸性作为柔性设备最基本的特性，主要有两种策略去提高：本质可拉伸的软材料和刚性材料的几何结构设计；电子皮肤的自愈合性能可以确保其在受到轻微机械损伤后自行恢复机械性能及电学性能，一般通过动态高分子中的相互作用和可逆键来实现；生物相容性和可降解性在医学领域非常重要，使用水凝胶和天然材料是常见的有效策略；传感器是电子皮肤的关键部件，合适的电极材料和结构框架是提高电子皮肤传感性能的关键，多种参数被用于评估传感性能，如灵敏度，检测极限，响应和恢复时间，线性和动态耐久性等。

图2 提高电子皮肤可拉伸性能的先进材料及结构设计

图3 电子皮肤的自愈合性能

图4 电子皮肤的传感技术

图5 电子皮肤的导电材料及结构设计

电子皮肤的实际工作环境更加复杂，这就要求其具有更多的特性，如自供电性能（图6）、实时监测性能（图7）、超薄和透气性（图8）、防水性和黏附性。电子皮肤可以利用摩擦电和压电效应将机械能转化为电能，实现自供电，摆脱传统刚性电源对便携性、柔性和可持续性的限制；实现实时监测，需要对传感器采集到的信号进行及时处理和可视化，主要有两种可视化方法：直观地显示颜色变化和通过无线通信技术在屏幕上显示；超薄可以提高电子皮肤佩戴的舒适度，而透气性一般通过使用多孔材料实现，结合防水涂层或粗糙表面，可以同时实现防水性；实现黏附性的方法主要有两种：一种是调节材料的组成，包括调整聚合物单体和交联剂的比例以及加入具有粘合性的辅助材料，另一种是调节电子皮肤的表面结构。

图6 电子皮肤的自供电性能

图7 电子皮肤的实时监测性能

图8 电子皮肤的超薄和透气性

多种生理参数可以用来指示人体的健康状态，一般分为物理信号和化学信号。在诊断疾病时，应区分不同信号并避免其相互影响。电子皮肤健康监测系统对物理信号的监测主要包括运动信号（图9）、脉冲信号、温度信号（图10）和生物电信号（图11）。对人体物理信号的监测只能从一个角度反映人的健康状况，因此，综合评价还必须考虑生化信号，包括血液、汗液和唾液的监测（图12）。

图9 电子皮肤对身体运动的监测

图10 电子皮肤对血压和体温的监测

图11 电子皮肤对电生理信号的监测

图12 电子皮肤对血液、汗液和唾液的监测

集成电子皮肤可以通过持续监测个人健康状况并提供相应的警告和治疗来提供个性化的医疗保健。一般要求集成器件能够实现多传感器协同工作以及多数据对比分析，保证对佩戴者健康状况的全面监测。此外，还需要与外部信息处理系统连接，实现更完整、可靠的信息输出。文章作者介绍了应用于婴幼儿和老年人护理、伤口监测和动态给药的集成电子皮肤健康监测系统的最新进展（图13）。