隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注健康問(wèn)題。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生物信號(hào)可以有效地診斷早期疾病，并為后續(xù)治療提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常需要大型精密儀器，并且只能針對(duì)住院患者的短期監(jiān)測(cè)。商用可穿戴電子設(shè)備的出現(xiàn)正逐漸改變這種局面，推動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向可用于家庭診斷和治療的便攜化和智能化方向發(fā)展。然而，商用的剛性可穿戴電子設(shè)備無(wú)法很好地適應(yīng)生物界面，降低了診斷效率和準(zhǔn)確性，離子滲透性和金屬毒性也導(dǎo)致其生物相容性低，產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)和炎癥。因此，受人類皮膚的啟發(fā)，柔軟、可拉伸并且高生物相容的電子皮膚隨著柔性材料和加工技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)運(yùn)而生。

近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的陳玉潔副研究員、范群福助理研究員及博士研究生楊茜晨等人在Advanced Materials期刊上發(fā)表題為“Electronic skin for health monitoring systems: Properties, functions and applications”的綜述文章。該文章總結(jié)了電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在所需特性、功能以及集成系統(tǒng)的應(yīng)用方面的研究進(jìn)展（圖1），討論了該領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。

人類皮膚有幾個(gè)獨(dú)特的特性，因此，電子皮膚作為一種模仿其功能和特性的柔性電子設(shè)備，也應(yīng)該具有這些基本特性，如可拉伸性（圖2）、自愈合性（圖3）、生物相容性、生物可降解性和傳感性能（圖4、圖5）。可拉伸性作為柔性設(shè)備最基本的特性，主要有兩種策略去提高：本質(zhì)可拉伸的軟材料和剛性材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電子皮膚的自愈合性能可以確保其在受到輕微機(jī)械損傷后自行恢復(fù)機(jī)械性能及電學(xué)性能，一般通過(guò)動(dòng)態(tài)高分子中的相互作用和可逆鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)；生物相容性和可降解性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常重要，使用水凝膠和天然材料是常見(jiàn)的有效策略；傳感器是電子皮膚的關(guān)鍵部件，合適的電極材料和結(jié)構(gòu)框架是提高電子皮膚傳感性能的關(guān)鍵，多種參數(shù)被用于評(píng)估傳感性能，如靈敏度，檢測(cè)極限，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，線性和動(dòng)態(tài)耐久性等。

電子皮膚的實(shí)際工作環(huán)境更加復(fù)雜，這就要求其具有更多的特性，如自供電性能（圖6）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能（圖7）、超薄和透氣性（圖8）、防水性和黏附性。電子皮膚可以利用摩擦電和壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)自供電，擺脫傳統(tǒng)剛性電源對(duì)便攜性、柔性和可持續(xù)性的限制；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理和可視化，主要有兩種可視化方法：直觀地顯示顏色變化和通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)在屏幕上顯示；超薄可以提高電子皮膚佩戴的舒適度，而透氣性一般通過(guò)使用多孔材料實(shí)現(xiàn)，結(jié)合防水涂層或粗糙表面，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)防水性；實(shí)現(xiàn)黏附性的方法主要有兩種：一種是調(diào)節(jié)材料的組成，包括調(diào)整聚合物單體和交聯(lián)劑的比例以及加入具有粘合性的輔助材料，另一種是調(diào)節(jié)電子皮膚的表面結(jié)構(gòu)。

多種生理參數(shù)可以用來(lái)指示人體的健康狀態(tài)，一般分為物理信號(hào)和化學(xué)信號(hào)。在診斷疾病時(shí)，應(yīng)區(qū)分不同信號(hào)并避免其相互影響。電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)物理信號(hào)的監(jiān)測(cè)主要包括運(yùn)動(dòng)信號(hào)（圖9）、脈沖信號(hào)、溫度信號(hào)（圖10）和生物電信號(hào)（圖11）。對(duì)人體物理信號(hào)的監(jiān)測(cè)只能從一個(gè)角度反映人的健康狀況，因此，綜合評(píng)價(jià)還必須考慮生化信號(hào)，包括血液、汗液和唾液的監(jiān)測(cè)（圖12）。

集成電子皮膚可以通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)個(gè)人健康狀況并提供相應(yīng)的警告和治療來(lái)提供個(gè)性化的醫(yī)療保健。一般要求集成器件能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器協(xié)同工作以及多數(shù)據(jù)對(duì)比分析，保證對(duì)佩戴者健康狀況的全面監(jiān)測(cè)。此外，還需要與外部信息處理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)更完整、可靠的信息輸出。文章作者介紹了應(yīng)用于嬰幼兒和老年人護(hù)理、傷口監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)給藥的集成電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最新進(jìn)展（圖13）。

盡管近年來(lái)對(duì)電子皮膚的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但仍無(wú)法滿足商業(yè)化的大規(guī)模應(yīng)用，多功能、集成和耐用的電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然很少。

總之，電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和個(gè)性化治療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展，電子皮膚健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將取得更大進(jìn)展，并為各種疾病的治療做出重要貢獻(xiàn)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202402542

審核編輯：劉清