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美国休斯顿大学余存江教授《Nat. Commun.》:写在皮肤上的生医电路
2020-07-31  来源:高分子科技

  近年来,可穿戴智能电子设备发展迅速,其中可用于监控人体多种生理信号的电子皮肤作为一个新兴且前景广大的领域引来了越来越多的关注。然而,当前这些可穿戴电子往往只能在人体处于静态条件下获得较好的信号,而当人体在行走或处于其他运动中时,采集到的信号很容易收到较大的干扰,即运动伪影(Motion artifact)现象。运动伪影极大的阻碍了可穿戴电子在日常生活和医疗中的实际应用。如何减轻甚至消除运动伪影是可穿戴电子领域的一项重要挑战。


  最近美国休斯敦大学(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组近期以“Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment”为题在Nature Communications杂志上报道了一种新型的生医电路。不同于目前大多数电子贴片类型的可穿戴器件,此类电路是直接“写”在皮肤上的(Drawn-on-skin electronics:DoS electronics)。这种新形式的生物电路可以用于监测各种电生理信号同时不受运动伪影的影响,也可以用于促进任意形状皮肤伤口的愈合。


  除此之外,该DoS electronics技术还具备以下优点:1)可以直接写出各种电子器件,比如晶体管,传感器;2)直写电路的工具很简易 –墨水笔配上电子墨水, 制作方法非常简单–写或者画;3)电路可以写在不平整的皮肤表面,生医电路直接写到皮肤上而不是贴到皮肤上;4)电路损坏后易于修复–重复写;5)电路与皮肤的界面紧密连接而不受运动影响;6)可以监测到多种电生理,物理信号而不受运动伪影的影响;7)不仅可以用于检测,还可以用于治疗,比如任意形状的皮肤伤口的愈合。


  该器件的制备不需要任何复杂仪器,用一根普通的圆珠笔灌上各种电子墨水,再辅以电路模板即可在皮肤上直接写出各种电路。这些电子墨水包括导体、半导体和电介质。将电子墨水直接写在皮肤上的制备工艺可以使液态墨水充满皮肤表面的微观结构,从而使电路紧密、牢固且不受皮肤运动影响地贴合在人体皮肤上。


图1:DoS电路制备流程


  研究人员在仿制皮肤及人体皮肤上测试了多种DoS传感器的性质。包括晶体管、应力传感器、热激励器、温度传感器以及皮肤水分传感器等器件在被拉伸的条件下进行了测试。同时,研究人员通过一套蓝牙数据传输系统使DoS生物电路及传感器可以无线地对人体进行心电图信号监控。


图2:应用于人体生理信号监测的DoS传感器


  同时,研究人员对比了DoS电极、商业凝胶电极以及超薄蛇形网状电极在不同条件下测量人体皮肤电生理信号时的性能。通过对比发现,DoS电极在皮肤出汗情况下测试、耐久测试以及与皮肤的粘着力测试中都表现出等同或超出其他器件的性能。在另一项运动伪影影响的测试中,研究人员用三种电极测试了皮肤在被间隔性拉伸或收缩,以及处于振动条件下的心电图信号。实验结果表明相比于另外两种器件,DoS电极对于抑制运动伪影的影响以及提高信噪比等方面有着明显的优势。


图3:运动伪影对DoS电极、商业凝胶电极以及超薄蛇形网状电极性能影响的对比


广东11选5   此外,研究人员尝试将DoS电路应用于即时皮肤创伤治疗。如前所述,DoS传感器的一大优势就是其简单、不需要复杂的仪器的制备流程,这一优点使其在有限资源地区(如战场)有较大的应用前景。DoS电路应用于皮肤创伤治疗的另一大优势是其可以针对伤口的形状和大小进行电路的订制。研究人员通过DoS电极对一只老鼠背部皮肤伤口的上半部分进行电刺激,结果发现被刺激的部分伤口愈合得更快,以此验证了将DoS电路应用于即时皮肤创伤治疗的可行性。


图4:DoS电极可加速皮肤伤口愈合


  该研究工作提出了一种直接写在皮肤上的新型生物电路,凭借其简单且可订制的制备流程、不受运动伪影影响、以及具备多种功能(可监测也可治疗)等优点,此技术为柔性可穿戴电子器件的发展提供了一个新的思路。同时,此技术也还具有诸多可以进一步发展完善的地方,包括对墨水材料、器件结构的进一步优化以及更多复杂功能的集成等等。


  文章的第一作者是休斯顿大学余存江教授课题组的博士生Faheem Ershad,其他作者包括余教授课题组的学生Anish Thukral,Phillip Comeaux,Ross Guevara, 路运涛,Hyunseok Shim, 饶州铝,张永操,潘凤娇,王旭,博士后管英士, Kyoseung Sim(现为韩国UNIST助理教授), 以及兰州大学的访问学者王鹏博士,等等。文章作者还包括合作者来自于美国芝加哥大学吴小阳教授以及课题组的Jiping Yue博士。文章的通讯作者为余存江教授。


  文章链接:

  Faheem Ershad, Anish Thukral, Jiping Yue, Phillip Comeaux, Yuntao Lu, Hyunseok Shim, Kyoseung Sim, Nam-In Kim, Zhoulyu Rao, Ross Guevara, Luis Contreras, Fengjiao Pan, Yongcao Zhang, Ying-Shi Guan, Pinyi Yang, Xu Wang, Peng Wang, Xiaoyang Wu, and Cunjiang Yu*, Ultra-Conformal Drawn-on-Skin Electronics for Multifunctional Motion Artifact-Free Sensing and Point-of-Care Treatment, Nature Communications, 11, 3823, 2020. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17619-1


余存江教授简介

  余存江现为美国休斯敦大学机械工程系Bill Cook副教授,并兼任于电子与计算机工程以及生物医学工程。获得NSF CAREER Award, ONR Young Investigator Award, MIT Technology Review Inaugural Chinese Top Innovators, SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award, etc。课题组目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。目前课题组毕业学生出路主要为博后和教职。课题组网页:http://yu。me。uh。edu/


课题组近期代表作

Nature Communications, 11, 3823, 2020. Nature Communications, 11, 2405, 2020. Science Advances, 2020. Nature Electronics, 2020. Science Advances, 5, eaax4691, 2019. 

Nature Electronics, 2, 471, 2019. Science Advances, 5, eaav9653, 2019. Science Advances, 5, eaav5479, 2019. Science Advances, 3, e701114, 2017. Science Advances, 3, e1701222, 2017.


招生信息

课题组现招收1名博后(组织工程,器官芯片)以及若干名博士生(有机及无机电子,生物医学工程)


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(责任编辑:xu)
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