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【分析】新型柔性、高透气性、自粘附且可生物降解的气凝胶基电子皮肤贴片用于实时连续检测多种生物标记物水平

时间：2023-01-08 来源： 浏览：

【分析】新型柔性、高透气性、自粘附且可生物降解的气凝胶基电子皮肤贴片用于实时连续检测多种生物标记物水平

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注：文末有 研究团队简介 及本文 科研思路分析
电子皮肤（E-skin）被广泛用于对人类生理和代谢物标志物的监测，但是现有的传统电子皮肤要么是单功能的，要么是由传统的弹性拉伸体（例如PDMS）制成的，这些薄膜不具备自然皮肤的重要特征，比如高透气性、防过敏、散热、高度生物相容和多功能传感。鉴于此， 寺崎研究所 （TIBI） 朱杨志 教授和 Ali Khademhosseini 教授团队在 Advanced Materials 期刊上在线发表研究论文，通过 模仿皮肤开发了一款柔性气凝胶电子皮肤贴片，用于非侵入性和实时连续监测多种生物标志物，包括体温、皮肤水合程度、心电图、汗液中乳酸和酒精以及组织液的葡萄糖水平。

图1. 柔性气凝胶电子皮肤贴片示意图
（1）设计柔性的GelMA气凝胶作为新型的电子皮肤材料 
GelMA作为生物材料凭借其优异的生物相容性、可降解性和与生物组织相似的机械性能，GelMA水凝胶已广泛用于组织工程、生物打印和可植入设备。GelMA气凝胶除了兼备GelMA水凝胶的特点之外，更为轻便、透气，使得其更适合作为电子皮肤的材料，但由于其天然的脆性，它并没有被广泛用于柔性电子领域。在本文中，作者探索了一种新的制备策略，通过调控气凝胶的孔径结构为GelMA气凝胶赋予了优良的柔韧性。同时该柔性气凝胶的三维多孔通道为其提供高效的热湿传递路径，确保其出色的透气能力。

图2. 柔性气凝胶电子皮肤贴片的形貌、机械和电学性质。
（2）多通道的传感器设计
本文展示了通过低成本的丝网印刷技术可将传感器阵列集成到柔性GelMA气凝胶上。在该贴片上，印刷的电生理传感器可用于监测心电图信号，温度和阻抗传感器分别连续监测皮肤温度、皮肤水合状况，集成的电化学传感器量化代谢生物标志物（乳酸、葡萄糖和酒精）浓度变化。贴片与皮肤直接接触，同时通过反向离子电渗疗法刺激汗液排泄和提取间质液（ISF）。

图3. 柔性气凝胶电子皮肤贴片的生物相容性、防过敏以及生物降解性。

图4. 柔性气凝胶电子皮肤贴片优异的散热性能。
（3）实时监测人体日常生理变化
为了验证E-skin贴片的有效性，作者进行了人体测试。志愿者佩戴贴片，正常摄入食物、酒精，E-skin贴片可实时判断身体葡萄糖和酒精水平的变化，商业的血糖仪和酒精测试仪作为黄金标准来辅助验证贴片测试结果的准确性。除此之外，这款E-skin贴片被验证也可用于健身和训练的监测。由于其出色的自粘能力和透气性，可由于长期连续实时的身体监测。

图5. 柔性气凝胶电子皮肤贴片的人体测试。

图6. 柔性气凝胶电子皮肤贴片用于实时连续人体监测。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A Breathable, Passive-Cooling, Non-Inflammatory, and Biodegradable Aerogel Electronics for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis
Yangzhi Zhu, Reihaneh Haghniaz, Martin C. Hartel, Shenghan Guan, Jamal Bahari, Zijie Li, Avijit Baidya, Ke Cao, Xiaoxiang Gao, Jinghang Li, Zhuohong Wu, Xuanbing Cheng, Bingbing Li, Sam Emaminejad, Paul S. Weiss, Ali Khademhosseini 
Adv. Mater ., 2022 , DOI: 10.1002/adma.202209300
研究团队简介

朱杨志博士
朱杨志 是寺崎生物医学创新研究所助理教授，2019年在加州大学河滨分校获得化学工程专业博士学位。在加入寺崎研究所前曾于加州大学圣地亚哥分校作为博士后主持领导柔性电子相关研发课题。目前其团队工作重点是开发有商业转化潜力的个性化医疗的柔性电子产品，包括智能隐形眼镜，可穿戴和可植入传感器的设计与制备。朱杨志教授团队长期接受访问学者、博后申请，欢迎有兴趣的同仁咨询yzhu@terasaki.org。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A： 如上所述，我们的研究兴趣是研究开发可用于新型的柔性可穿戴器件。众所周知，传统的柔性可穿戴器件多以PDMS或者Ecoflex类似的材料。然而这些材料并不具备和天然皮肤类似的特质，比如良好的透气性、自粘性、可降解性和抗过敏性。使得这些器件受限于长期的人体监测。生物材料凭借其友好的生物相容性，与生物组织类似的机械性质被广泛用于组织工程、生物打印、可植入设备等应用领域。我们的目的很简单，通过进行一定的设计处理，使其成为新一代可穿戴电子设备的材料。这为绿色环保、低成本、高性能的更加与身体兼容的可穿戴器件的生产提供了一条新的思路。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A： 本项研究中最大的挑战是如何控制气凝胶的孔径结构，找到可靠的优化参数，以获得柔性的气凝胶薄膜。在这个过程中，我们团队在生物材料方面的积累起了至关重要的作用。
此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少生物传感、信号处理以及电子器件加工方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在系统集成方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。团队长期接收访问学者、博后以及其他岗位，有意向联系我, yzhu@terasaki.org
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A： 该柔性气凝胶电子皮肤贴片可用于多功能的人体监测，包括体温、皮肤水合、心电、汗液或组织液中生物标记物（例如葡萄糖、乳酸、酒精等）。同时由于其优异的透气性、自粘能力、抗过敏等特质，因此可广泛用于人体健康与运动监测、人机交互、虚拟现实等方面，尤其是用于人体长时间连续的检测。我们相信这项研究成果为相关可穿戴电子设备的设计与制备提供了一种性能优异的、并且可产业化制备的传感器，将对相关领域的发展产生推动作用。目前我们基于该工作已经申请了两项发明专利。

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