皮膚接口的可穿戴電子產(chǎn)品因其在預(yù)防性監(jiān)測(cè)、診斷確認(rèn)和方便的治療選擇方面扮演著獨(dú)特的角色而備受關(guān)注。這些生物集成設(shè)備能否被實(shí)際應(yīng)用取決于人體傳感器與無(wú)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(cè)人體的健康狀況，而無(wú)線傳輸模塊可以無(wú)線地為傳感器供電和傳輸數(shù)據(jù)到云端，供醫(yī)護(hù)人員使用。作為集成系統(tǒng)一個(gè)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(hào)監(jiān)測(cè)地人體傳感器和用于信號(hào)調(diào)節(jié)/讀出和無(wú)線傳輸?shù)娜嵝噪娐钒濉?/p>
柔性體傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)目前依賴(lài)于各種復(fù)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(jiǎn)單而通用的方法來(lái)制造柔性體傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有模塊，這是因?yàn)樵谌梭w皮膚上進(jìn)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(fù)雜的工藝，并且增加電子產(chǎn)品的垃圾廢物，因此開(kāi)發(fā)一種新的制造技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題就顯得迫在眉睫。
來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，他們開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)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 onThe Skin Surface for Health Monitoring”的研究成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與賓夕法尼亞州立大學(xué)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(xué)何鵬、趙維巍教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇助理教授為該論文共同通訊作者。論文獲得了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金、賓夕法尼亞州立大學(xué)啟動(dòng)資金、深圳市科技計(jì)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(xiàng)目的資助。
該團(tuán)隊(duì)的制造技術(shù)依賴(lài)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(biāo)簽紙上進(jìn)行熱處理，燒結(jié)溫度可以從200?C降低到120?C。因此，該團(tuán)隊(duì)選擇TiO2?作為添加劑開(kāi)始進(jìn)行研究。制備的燒結(jié)輔助薄層通過(guò)電荷中和反應(yīng)來(lái)降低燒結(jié)激活能，從而促進(jìn)低溫?zé)Y(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和相場(chǎng)模擬對(duì)該理論進(jìn)行了論證。由于電荷中和需要陽(yáng)離子基團(tuán)，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(lái)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(jī)械性能，能夠進(jìn)行各種彎曲和折疊的機(jī)械變形。他們將該方法應(yīng)用于印刷監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的人體傳感器以及無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的紙/織物基柔性電路板上，為了系統(tǒng)說(shuō)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(jìn)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(yàn)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(jì)。b) 帶有多種人體傳感器的手。c) 血氧飽和度測(cè)量裝置。d) 紙基FPCB。
該團(tuán)隊(duì)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(hào)。與商用的產(chǎn)品進(jìn)行比較，具有更高的信號(hào)質(zhì)量和更好的性能，為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一系列可穿戴電子產(chǎn)品。
當(dāng)大規(guī)模采用這種可穿戴電子產(chǎn)品時(shí)，去除和環(huán)保處理成了一個(gè)問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。對(duì)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(jìn)行了討論和設(shè)想。?
文章鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.0c11479
