皮膚界面穿戴式電子設備因其在預防監測、診斷確認和方便的治療選擇方面所起到的獨特作用而備受關注。這些生物集成設備能否實現實際且方便的最終應用，取決于人體傳感器與無線傳輸模塊的無縫集成。

多功能人體傳感器可以精確、連續地監測人體健康狀況，而無線傳輸模塊可以為傳感器無線供電，并將傳感器產生的數據傳輸到云端，供醫護人員使用。

柔體區域傳感器網絡是這類集成系統的一個有前途的發展方向，它包括用于生理信號監測的人體傳感器和用于信號調節/讀出和無線傳輸的柔性印刷電路板（flexible printed circuit boards, FPCBs）。

柔體區域傳感器網絡的實現目前依賴于各種復雜的制造技術，包括光刻、轉移印刷到直接印刷，尤其是與讀出電路分立的可拉伸傳感器。

研究人員一直在努力探索穿戴式電子設備在紙張/織物或人體皮膚上的集成。然而，在皮膚紋理表面進行低溫處理同時還需要易于去除頗具挑戰性，目前缺少一種簡單而通用的方法來制造與柔體區域傳感器網絡相關的所有模塊。

由于該領域的常規技術需要昂貴的設備和復雜的程序，并且會增加電子垃圾，因此開發一種新的制造技術以應對所有這些挑戰顯得尤為迫切。

據麥姆斯咨詢報道，賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）和哈爾濱工業大學（Harbin Institute of Technology）共同合作的一個國際研究小組已經做到了這一點，研究人員目前正在開發一種簡單但普遍適用的皮膚界面傳感器制造技術。

研究成果被發表在《美國化學學會應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上，題目為“室溫下直接燒結于皮膚表面的穿戴式電路，可用于健康監測”（Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring）。

賓夕法尼亞州立大學材料研究所工程科學和力學助理教授Huanyu Cheng指出，“我們這項工作的核心創新之一是設計和演示了一種新型燒結助劑層，可實現各種金屬油墨的直接印刷和室溫燒結，用于構建基于紙張/織物的柔性印刷電路板和人體傳感器。與其他需要幾百攝氏度的替代方法相比，這種方法可以在低溫甚至室溫下燒結金屬納米顆粒。”

該團隊的制造方案依賴于一種由粘合劑聚乙烯醇（PVA）和納米添加劑（如二氧化鈦TiO2或碳酸鈣CaCO3等）組成的燒結助劑層。

他們解釋道，先前發表的文獻表明，當在包含二氧化鈦為主要成分的耐高溫紙上燒結銀納米顆粒油墨時，燒結溫度會從180℃降低到120℃。

Cheng補充道，“因此，我們選擇二氧化鈦添加劑開始我們的研究，因為它有助于降低電荷中和后的燒結溫度，從而降低強化燒結的活化能。由于電荷中和需要陽離子基團，因此我們選擇了其他幾種金屬氧化物（氧化鋁Al2O3，氧化鎂MgO），鹽（碳酸鈣CaCO3，鈦酸鋇BaTiO3）和金屬（銅Cu）作為添加劑來驗證這一概念。添加碳酸鈣后，燒結溫度進一步降至室溫。”

“通過實驗和相場模擬，我們發現燒結助劑層的使用降低了銀納米顆粒的燒結溫度，這是因為電荷中和作用提高了晶界擴散系數。燒結助劑層還降低了各種基底的表面粗糙度，從而使印刷出來的超薄金屬圖案層具有更好的機電性能，可以抵抗各種機械形變，如彎曲或折疊。”

研究人員將他們的制造方案應用于生理信號監測的皮膚印刷傳感器，以及基于紙張/織物用于信號調理/讀出和無線傳輸的柔性印刷電路板。

為了說明其技術的系統級示例，他們將各種人體傳感器與柔性印刷電路板集成在一起，如下所示。

由各種人體傳感器和柔性印刷電路板組成的柔體區域傳感器網絡的原理圖和概念驗證演示：a）柔體區域傳感器網絡的設計概念。服裝上基于紙張/織物的柔性印刷電路板可以集成無線數據和功率傳輸模塊（例如，藍牙或近場通信模塊），以及用于擴展數據采集和處理的商用現成芯片（綠色框圖）。紅色框圖說明了在室溫下燒結的直接印刷人體傳感器的制備過程；b）配備多個直接印刷并燒結在皮膚表面上的人體傳感器（如電極，溫度/水合傳感器）的手部照片；c）血氧飽和度測量裝置，由一個紅外發光二極管（LED）和指尖上的光電二極管組成；d）紙基柔性印刷電路板，包含SL900A UHF RFID傳感IC芯片和天線

該電子系統包括用于生命信號測量，可以直接印刷在人體各個部位的傳感器，用于擴展數據收集和處理的商用現成芯片，無線數據和功率傳輸模塊，以及用于系統集成的基于紙張/織物的柔性印刷電路板。

Cheng表示，“我們證明了我們的高性能皮膚印刷傳感器可以精確、連續地捕獲溫度、濕度或局部濕度變化、血氧飽和度、電生理信號（如心電圖和肌電圖）等。與商用同類產品相比，這些皮膚印刷傳感器具有更高的信號質量和更好的性能，結合其它擴展模塊可以為健康監測提供一系列穿戴式電子產品。”

他補充道，“此外，該系統具有生理信號監測和無線傳輸人體傳感器模塊，可用于監測新冠肺炎（COVID-19）患者的病情進展和嚴重程度，非常適用于全球疫情防控。”

當這種穿戴式設備進入大規模應用階段，成為我們日常生活的一部分時，移除和環保處理就成為了一大問題。為此，研究人員證明了用溫水洗手即可很方便地將設備從皮膚上移除。

此外，設備系統中利用的材料具有生物相容性，且毒性極小，這使其可以用于綠色電子設備，生物集成電子設備甚至可植入設備。

人體傳感器的移除和處置演示：a）薄膜人體傳感器在不同溫度喝時間下的溶解情況：（i）室溫下在水中保持穩定；（ii）60°C以上開始分解；（iii）攪拌5分鐘后完全溶解；b）人體傳感膜剝去時對皮膚影響可忽略不計，移除非常方便；c）連續的照片顯示，通過用溫水沖洗雙手，可以輕松地將傳感器從皮膚上移除

Cheng及其合作者希望將這種多功能、穿戴式的傳感技術應用于心肺疾病（包括COVID-19，肺炎和肺纖維化疾病）的診斷確認和及時治療。

他們指出，憑借出色的機電性能和水下性能，這種傳感技術還可用于跟蹤和監測海洋哺乳動物。

Cheng解釋道，“能夠長期舒適地穿戴的傳感設備對透氣性和透水性都提出了需求，因此，優異的水下性能與密封似乎是相互矛盾的。我們正在探索具有多孔結構，支持選擇性封裝的新型燒結層來解決這一挑戰。該設計可以與在水中浸泡后已證明其穩定性的設備進一步結合。”

目前的研究只是該研究小組中心工作的一個例子，這個研究小組的工作重心是利用低成本的技術制造自供電、無線、多功能的系統。

針對自供電設備，他們的項目之一集中在可拉伸的整流天線上，用于收集環境射頻能量，為電池充電或為電子設備供電。針對多功能設備，他們也致力于研發可拉伸的氣體傳感器，用于檢測人體和暴露環境中的氣態生物標志物。

另一個項目涉及可替代的低成本制造方法，該方法可以在3D曲線自由曲面上直接制造可生物降解且持久的傳感器。

這些不同工作領域的邏輯擴展涉及到將穿戴式設備與大數據分析的結合，服務于未來的健康信息學。

Cheng總結道，“這些多樣化的未來方向的跨學科性質需要臨床醫生和具有不同背景的工程師共同努力，以幫助促進這一新興領域的快速發展。”

原文標題：新型皮膚界面傳感器制造技術實現穿戴式人體健康監測

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責任編輯：haq微流控