中科院上硅所程荫/东华大学王黎明《AFM》：可拉伸、透气、自粘附与多模态传感的动态健康监测电子皮肤

皮肤作为人体与外界互动的界面，既可以感知生物力学刺激，还可以通过表皮电生理信号采集来辅助早期临床诊断和治疗。已报道的各类电子皮肤器件多局限于单一传感功能设计，难以实现对生物力学信号和电生理信号的同时采集。此外，传统的电子皮肤存在制备方式复杂且难以量产、透气性差、信号灵敏度低、恶劣环境信号不稳定等限制因素。因此，开发能够模拟人体皮肤特异属性并具有多模态信号传感功能的新型电子皮肤，有着重大的实用意义与挑战性。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所程荫副研究员和东华大学王黎明研究员合作开发了一种仿生人体皮肤的多层级结构多功能电子皮肤（SPRABE-skin）。SPRABE-skin的制备基于静电纺丝与油墨喷涂工艺的结合，实现了大面积制备与连续化生产。同时，SPRABE-skin集成了类皮肤的可拉伸、透气、自粘附、自我保护等特异属性以及生物力学/电生理学多模态信号传感功能。该电子皮肤具有类似人体组织的柔软性(杨氏模量3.3 MPa)，在宽应变范围内具有超高灵敏度(应变为485%时的灵敏度系数达到63494)，自粘附的电极-皮肤界面确保在动态干扰下也能获取高保真度的生物电信号(心电ECG, 肌电EMG, 脑电EEG)。基于SPRABE-skin的可穿戴式信号采集系统可以实现对人体心电图和跑步活动的无线、长期、动态监测。该研究以“A Stretchable, Breathable, and Self-adhesive Electronic Skin with Multimodal Sensing Capabilities for Human-centered Healthcare”为题发表于国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。论文第一作者为郝云娜博士和闫秋阳博士，通讯作者为程荫副研究员和王黎明研究员。

图1. SPRABE-skin的仿生结构设计及制备方法

本项工作结合静电纺丝和油墨喷涂制备多层级结构电子皮肤，这两种技术成熟可靠，在工业生产中应用普遍，实现了电子皮肤的简单、连续、可扩展制备。SPRABE-skin的多层结构包括保护层（P-layer）、应变传感层（S-layer）、隔离层（I-layer）以及电极层（E-layer）。保护层有助于抵御外部影响，应变传感层和电极层分别收集应变和生物电位信号，隔离层避免了生物力学和生物电传感之间的信号串扰。基于静电纺丝和喷涂的制造策略易于扩展，可获得大面积SPRABE-skin（30×70 cm2）。由于SPRABE-skin在制造和加工上具有很高的灵活性，因此可以设计为不同的形状和图案（如绷带和胶卷式）。

图2. SPRBAE-skin的力学、透气性能，恶劣环境稳定性、以及皮肤界面粘附性

SPRABE-skin具有类似皮肤的力学特性，柔软且在30%的应变范围内具有良好弹性恢复，并可拉伸至高达~4000%的应变。SPRABE-skin的水蒸气透气性接近于纤维TPU膜，远高于常用的PDMS薄膜。为了评估保护层效果，SPRABE-skin在极端条件测试下，包括砂纸磨损、胶带剥离和水洗，均表现出优异稳定性。对干燥、出汗、多毛皮肤进行了标准90°剥离试验，均显示了较高的皮肤界面粘附强度(约145 N m-1)。此外，即使经过16个连续剥离循环，SPRABE-skin样品在干燥皮肤上的粘附强度仍高达109 N m-1，证实了SPRABE-skin的可重复使用性。

图3. SPRABE-skin的力学传感性能

作者系统地研究了SPRABE-skin的应变传感性能。力学敏感网络MXene-CNT比值为2:8 时具有最高的应变系数GF值，该样品在应变范围为0~20%、20~50%和50~100%时，GF分别为198、574和1231，应变为370~485%时，GF最高达到63494。相比已报道的薄膜结构、多孔结构以及纤维结构的同类敏感材料传感器，SPRABE-skin在感应范围-灵敏度中优势显著。论文提出了裂纹扩展与恢复的机理解释应变传感性能并通过微观形貌原位变化进行了证明。

图4. SPRABE-skin在生物力学传感中的应用

当U形SPRABE-skin贴附于手腕，能够清晰地记录与桡动脉压力变化相关的细微皮肤变形，通过桡动脉增强指数和P1、P2峰间时间差可以进行动脉硬化判断。为了验证自粘附式SPRABE-skin在获取高保真信号方面的优势，研究记录了不同条件下的人体脉搏波，包括静态条件、水下条件和振动干扰条件，并采用非粘性柔性传感器进行对比。在静态状态下，SPRABE-skin和非粘性传感器的脉搏信号稳定清晰。在水下和振动干扰时，SPRABE-skin仍能记录稳定的脉搏波信号。而非粘性传感器采集的脉搏信号则显示出严重的信号噪声和失真。除了细微的脉冲信号外，SPRABE-skin还可以对各种日常运动动作产生可区分的感知信号。

图5. SPRABE-skin应用于ECG信号采集

SPRABE-skin在1-104 Hz的频率范围内表现出比商用Ag/AgCl凝胶电极更低的界面阻抗。在静态条件下，SPRABE-skin给出了高质量的心电信号，具有清晰的PQRST波形，与商用Ag/AgCl凝胶电极收集的信号类似。同时采用TP偏差(T波和P波之间基线水平的偏差)参数来评估信号质量。当手臂在空气中移动或在水下静止/移动时，Ag/AgCl电极的TP偏差上升更加显著。当电极直接暴露在水流冲击时，Ag/AgCl电极的TP偏差进一步增大至约60 μV, 而SPRABE-skin电极的TP偏差维持在约7 μV的低水平。显然，与商用凝胶电极相比，SPRABE-skin对动态干扰的耐受性更加优异，这归因于稳定的粘附性皮肤-电极传输界面。

图6. SPRABE-skin应用于EMG、EEG信号采集

采用双极电极式信号采集配置将三个SPRABE-skin电极贴合于志愿者的腕屈肌上。与商用凝胶电极相比，SPRABE-skin在降噪方面表现出明显的改善，RMS噪声从16.6 μV降至13.5 μV。当握持握力计在1-20 N的不同力时，SPRABE-skin记录了振幅一致的可重复肌电信号，并成功监测到肌电信号峰值(EMG p-p)电位随力的增加而增加。SPRABE-skin还可以检测手指屈伸和手势产生的低振幅肌电信号，或者将电极贴在不同的肌肉位置，监测相关的身体运动，与Ag/AgCl凝胶电极的信号相比，证实了更高的肌电振幅。在EEG测试中，将SPRABE-skin电极连接在前额作为测量电极，耳垂作为参考/接地电极。志愿者在放松状态下进行闭眼睁眼循环10个周期，在采集到的脑电图电位谱图分析中，闭眼状态下的α波(8-13 Hz)振幅增加，指示了人脑对视觉环境的注意力下降。

图7. 可穿戴式SPRABE-skin系统用于无线、动态、长期的人体健康监测

基于SPRABE-skin设计了可穿戴式信号传感系统，用于无线、长时间和动态的医疗监测。该系统实现了从信号采集到智能手机实时读取或通过个人电脑终端进一步诊断分析。通过智能手机软件界面可查看佩戴者的实时心电图及运动状态。基于SPRABE-skin的可穿戴系统被证明具有足够的柔软性，并且透气性良好，穿着舒适，即使在人体动态下也可以提供稳定的生物力学和生物电信号。

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