新型皮肤界面传感器制造技术实现穿戴式人体健康监测

皮肤界面穿戴式电子设备因其在预防监测、诊断确认和方便的治疗选择方面所起到的独特作用而备受关注。这些生物集成设备能否实现实际且方便的最终应用，取决于人体传感器与无线传输模块的无缝集成。

多功能人体传感器可以精确、连续地监测人体健康状况，而无线传输模块可以为传感器无线供电，并将传感器产生的数据传输到云端，供医护人员使用。

柔体区域传感器网络是这类集成系统的一个有前途的发展方向，它包括用于生理信号监测的人体传感器和用于信号调节/读出和无线传输的柔性印刷电路板（flexible printed circuit boards, FPCBs）。

柔体区域传感器网络的实现目前依赖于各种复杂的制造技术，包括光刻、转移印刷到直接印刷，尤其是与读出电路分立的可拉伸传感器。

研究人员一直在努力探索穿戴式电子设备在纸张/织物或人体皮肤上的集成。然而，在皮肤纹理表面进行低温处理同时还需要易于去除颇具挑战性，目前缺少一种简单而通用的方法来制造与柔体区域传感器网络相关的所有模块。

由于该领域的常规技术需要昂贵的设备和复杂的程序，并且会增加电子垃圾，因此开发一种新的制造技术以应对所有这些挑战显得尤为迫切。

据麦姆斯咨询报道，宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）和哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）共同合作的一个国际研究小组已经做到了这一点，研究人员目前正在开发一种简单但普遍适用的皮肤界面传感器制造技术。

研究成果被发表在《美国化学学会应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上，题目为“室温下直接烧结于皮肤表面的穿戴式电路，可用于健康监测”（Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring）。

宾夕法尼亚州立大学材料研究所工程科学和力学助理教授Huanyu Cheng指出，“我们这项工作的核心创新之一是设计和演示了一种新型烧结助剂层，可实现各种金属油墨的直接印刷和室温烧结，用于构建基于纸张/织物的柔性印刷电路板和人体传感器。与其他需要几百摄氏度的替代方法相比，这种方法可以在低温甚至室温下烧结金属纳米颗粒。”

该团队的制造方案依赖于一种由粘合剂聚乙烯醇（PVA）和纳米添加剂（如二氧化钛TiO2或碳酸钙CaCO3等）组成的烧结助剂层。

他们解释道，先前发表的文献表明，当在包含二氧化钛为主要成分的耐高温纸上烧结银纳米颗粒油墨时，烧结温度会从180℃降低到120℃。

Cheng补充道，“因此，我们选择二氧化钛添加剂开始我们的研究，因为它有助于降低电荷中和后的烧结温度，从而降低强化烧结的活化能。由于电荷中和需要阳离子基团，因此我们选择了其他几种金属氧化物（氧化铝Al2O3，氧化镁MgO），盐（碳酸钙CaCO3，钛酸钡BaTiO3）和金属（铜Cu）作为添加剂来验证这一概念。添加碳酸钙后，烧结温度进一步降至室温。”

“通过实验和相场模拟，我们发现烧结助剂层的使用降低了银纳米颗粒的烧结温度，这是因为电荷中和作用提高了晶界扩散系数。烧结助剂层还降低了各种基底的表面粗糙度，从而使印刷出来的超薄金属图案层具有更好的机电性能，可以抵抗各种机械形变，如弯曲或折叠。”

研究人员将他们的制造方案应用于生理信号监测的皮肤印刷传感器，以及基于纸张/织物用于信号调理/读出和无线传输的柔性印刷电路板。

为了说明其技术的系统级示例，他们将各种人体传感器与柔性印刷电路板集成在一起，如下所示。

由各种人体传感器和柔性印刷电路板组成的柔体区域传感器网络的原理图和概念验证演示：a）柔体区域传感器网络的设计概念。服装上基于纸张/织物的柔性印刷电路板可以集成无线数据和功率传输模块（例如，蓝牙或近场通信模块），以及用于扩展数据采集和处理的商用现成芯片（绿色框图）。红色框图说明了在室温下烧结的直接印刷人体传感器的制备过程；b）配备多个直接印刷并烧结在皮肤表面上的人体传感器（如电极，温度/水合传感器）的手部照片；c）血氧饱和度测量装置，由一个红外发光二极管（LED）和指尖上的光电二极管组成；d）纸基柔性印刷电路板，包含SL900A UHF RFID传感IC芯片和天线

该电子系统包括用于生命信号测量，可以直接印刷在人体各个部位的传感器，用于扩展数据收集和处理的商用现成芯片，无线数据和功率传输模块，以及用于系统集成的基于纸张/织物的柔性印刷电路板。

Cheng表示，“我们证明了我们的高性能皮肤印刷传感器可以精确、连续地捕获温度、湿度或局部湿度变化、血氧饱和度、电生理信号（如心电图和肌电图）等。与商用同类产品相比，这些皮肤印刷传感器具有更高的信号质量和更好的性能，结合其它扩展模块可以为健康监测提供一系列穿戴式电子产品。”

他补充道，“此外，该系统具有生理信号监测和无线传输人体传感器模块，可用于监测新冠肺炎（COVID-19）患者的病情进展和严重程度，非常适用于全球疫情防控。”

当这种穿戴式设备进入大规模应用阶段，成为我们日常生活的一部分时，移除和环保处理就成为了一大问题。为此，研究人员证明了用温水洗手即可很方便地将设备从皮肤上移除。

此外，设备系统中利用的材料具有生物相容性，且毒性极小，这使其可以用于绿色电子设备，生物集成电子设备甚至可植入设备。

人体传感器的移除和处置演示：a）薄膜人体传感器在不同温度喝时间下的溶解情况：（i）室温下在水中保持稳定；（ii）60°C以上开始分解；（iii）搅拌5分钟后完全溶解；b）人体传感膜剥去时对皮肤影响可忽略不计，移除非常方便；c）连续的照片显示，通过用温水冲洗双手，可以轻松地将传感器从皮肤上移除

Cheng及其合作者希望将这种多功能、穿戴式的传感技术应用于心肺疾病（包括COVID-19，肺炎和肺纤维化疾病）的诊断确认和及时治疗。

他们指出，凭借出色的机电性能和水下性能，这种传感技术还可用于跟踪和监测海洋哺乳动物。

Cheng解释道，“能够长期舒适地穿戴的传感设备对透气性和透水性都提出了需求，因此，优异的水下性能与密封似乎是相互矛盾的。我们正在探索具有多孔结构，支持选择性封装的新型烧结层来解决这一挑战。该设计可以与在水中浸泡后已证明其稳定性的设备进一步结合。”

目前的研究只是该研究小组中心工作的一个例子，这个研究小组的工作重心是利用低成本的技术制造自供电、无线、多功能的系统。

针对自供电设备，他们的项目之一集中在可拉伸的整流天线上，用于收集环境射频能量，为电池充电或为电子设备供电。针对多功能设备，他们也致力于研发可拉伸的气体传感器，用于检测人体和暴露环境中的气态生物标志物。

另一个项目涉及可替代的低成本制造方法，该方法可以在3D曲线自由曲面上直接制造可生物降解且持久的传感器。

这些不同工作领域的逻辑扩展涉及到将穿戴式设备与大数据分析的结合，服务于未来的健康信息学。

Cheng总结道，“这些多样化的未来方向的跨学科性质需要临床医生和具有不同背景的工程师共同努力，以帮助促进这一新兴领域的快速发展。”