導讀
從人體皮膚中準确提取生理和實體信号對于健康監測、疾病預防和治療至關重要。可穿戴生物電子學的最新進展直接嵌入到表皮表面是未來表皮傳感的一個很有前途的解決方案。然而，現有的可穿戴生物電子學容易受到運動僞影的影響，因為它們在運動過程中缺乏與皮膚的适當粘附和共形界面。于此，休斯敦大學(University of Houston)的餘存江(Cunjiang Yu)教授課題組提出了超保形、可定制、可變形的畫在皮膚上（drawn-on-skin, DoS）的電子裝置，它是一種新型的生物醫學電路，可以直接附着在皮膚上的電子墨水具有很強的附着力和超适形性，具有強大的運動穩定性。
該項研究已經發表在《Nature Communications》雜志上。
Dos電路與常見的手環型、貼片型可穿戴器件不同，它可以直接用原子筆“寫”在人的皮膚上的。
而寫在皮膚上的正是Dos電路的關鍵核心--電子墨水。這些不同材料的電子墨水分别會被用作導體、半導體和電媒體。
将電子墨水直接寫在皮膚上，可以讓液态墨水完全契合皮膚的紋理，這樣電路就能不受運動影響能時刻貼合在人體皮膚上。
在該項研究中，研究人員通過将Ag(銀)和PEDOT：PSS溶液(一種導電率很高的高分子聚合物水溶液)混合來制備電子墨水(導電油墨)，通過3：7體積混合的C10H12(四氫萘)和C6H10O(環己酮)來制備P3HT-NF半導體油墨，通過PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)，[EMIM] [TFSI](1乙基3甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽)和C3H6O(丙酮)以1：4：7的重量比混合制備離子凝膠電媒體油墨。
下圖為具有導電和半導電油墨的DoS電子平台。(a) DoS電子裝置的繪圖過程始于(i)将膠帶固定在皮膚上的蠟紙附件(比例尺1厘米)，(ii)繪圖裝置的模闆，改進的原子筆和墨水(比例尺5毫米) 插圖是一個特寫鏡頭（比例尺為1毫米)，(iii)移除模闆(比例尺為2厘米)，以及(iv)幹燥後的完整裝置(比例尺為1厘米)。
(b) DoS內建系統示例，包括在人體皮膚上繪制的電阻器，半導體，加熱器，EP(電生理)傳感器，溫度傳感器，應變傳感器和皮膚水合作用傳感器(比例尺5 mm)。插圖中顯示了導體的相應模闆(比例尺為1 cm)。
目前，研究人員已經将Dos在皮膚複制品上進行過整體操作。首先用聚酰亞胺薄膜和透明膠制造出電極所需形狀的镂空模闆，然後使用筆尖直徑為1mm的改進的原子筆将導電油墨在模闆皮膚上繪制出源電極(起集電作用的電極)和漏電極(起發射作用的電極)，在室溫下幹燥3~5分鐘。
在使用改進的原子筆繪制電路時，筆尖無需接觸皮膚就可以将墨水繪制上去，因為筆尖被制成了彎月面，是以筆的運動會在彎月面上産生剪切力，進而使墨水擴散到整個皮膚表面。在墨水幹燥并去除模闆後，将另一個模闆放置在複制皮膚上，以用半導體油墨填充，同樣幹燥5分鐘。最後再使用相應的模闆把電媒體油墨填充在半導體的源電極和漏電極之間的溝道上。
性能測試，非常強大的"電子紋身貼"
研究人員對Dos電路的性能做了大量的測試，包括對皮膚拉扯、人體出汗等外部條件對Dos上傳感器的影響都做了測試，實驗結果表明Dos在各種正常的使用情況下的性能還是很強大的。
1.皮膚測試
研究人員首先将電路圖上涵蓋的包括半導體、應力傳感器、電生理傳感器、溫度傳感器以及皮膚水分傳感器等器件在皮膚被拉扯的條件下進行了測試。結果顯示Dos內建系統在進行拉伸和壓縮後沒有任何實體損壞痕迹。
為了檢驗皮膚對電子墨水的反應，避免人類将墨水塗到皮膚上時候出現不耐受反應，研究人員将電子墨水塗抹在了剔除皮毛的小白鼠背部，然後提取皮膚樣品并通過組織學染色程式進行評估。結果表明繪制過電子墨水的小鼠皮膚并沒有惡化，或産生發炎的症狀。
上面的兩個測試表示了Dos裝置具有的超适形和可變形性。
2.汗液、耐久性測試
研究人員為了确定Dos傳感器與現有傳感器相比具有優勢，對比了Dos電極、醫院級凝膠電極以及350nm超薄網狀電極在不同條件下測量人體皮膚電生理信号時的性能。
如上圖所示，在出汗之前和期間，DoS電子裝置和現有心電圖檢測技術的比較。(a)DoS EP傳感器(左，比例尺2mm)，在出汗前(中)和出汗時(右)記錄心電圖信号。(b)凝膠電極(左，比例尺1cm)，在出汗前(中)和出汗時(右)記錄心電圖信号。(c) 網狀電極(左，比例尺5mm)，在出汗前(中)和出汗時(右)記錄ECG信号。
經過對比，研究人員發現，Dos傳感器獲得的ECG信号在所有測量時間點上都較為一緻，在皮膚出汗情況下測試、耐久測試等都表現出更好的性能。
通過以往的研究可知較薄的傳感器不太容易受到運動僞影的影響，是以研究人員在針對運動僞影影響的測試中，用前文提到的包括Dos在内的三種電極測試了皮膚在被間隔性拉伸或收縮，以及處于振動條件下的心電圖信号，使用DoS電子裝置進行的無運動僞影感測，如下圖所示。
(a)在局部拉伸/釋放周期(左)和壓縮/釋放周期(右)，DoS EP傳感器記錄的ECG信号(中間)。橙色條條表示拉伸運動的持續時間，藍色條條表示壓縮運動的持續時間，綠色條條表示釋放運動的持續時間。(b)在局部拉伸/釋放循環(左)和壓縮/釋放循環(右)期間，凝膠電極記錄的ECG信号(中間)。紅色箭頭表示僞影。(c)在局部拉伸/釋放周期(左)和壓縮/釋放周期(右)期間，從網狀電極記錄的ECG信号(中間)。紅色箭頭表示僞影。(d)随手臂振動引起的運動記錄靜息EMG信号。粉色條表示DoS EP傳感器(頂部)，凝膠電極(中間)和網狀(底部)電極打開VM的持續時間。對于DoS EP傳感器(頂部)，凝膠電極(中間)和網狀(底部)電極，靜止的EMG信号的TF映射以及振動引起的運動。粉色條和紅色線表示振動的持續時間。
實驗結果表明，相對于另外兩種器件，Dos電極對于抑制運動僞影的影響以及提高信噪比等方面有明顯的優勢。
結論
通過以往的研究可知較薄傳感器受運動僞影影響更小、脈沖電愈合傷口、便捷可攜帶等優勢，是以類似于"紋身"類的電路和電子産品很有可能會成為柔性可穿戴裝置的新思路。
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