可呼吸、降温、自粘附、无炎性的生物气凝胶电子皮肤

研究背景

人类的皮肤是身体最大的器官，为人类提供了一个重要的体感生态系统，以感知并与物理世界沟通。开发模仿天然皮肤特征和功能的电子皮肤(E-skins)在广泛的应用中是有希望的包括医疗保健监测和管理、智能人机界面和精准医疗。电子皮肤通常由一个传感器层和一个基底组成。特别是，理想的电子皮肤应该在单个可穿戴设备上集成多重传感功能以便更深入地了解用户的生理状态，而不妨碍他们的日常生活或带来不适。

迄今为止，各种电子皮肤已被报道用于对单个或多个物理/生理参数进行无障碍监测，包括生物电位(即心电图，ECG；脑电图，EEG；或肌电图，EMG)、体温、人体运动、皮肤水化以及代谢标志物库(如葡萄糖、胰岛素、乳酸和皮质醇)。聚二甲基硅氧烷PDMS，聚酷亚胺，聚对苯二甲酸乙二醇酯和Ecoflex，它们存在一个或多个缺点，包括机械不匹配、生物相容性差和低渗透性。这种限制阻碍了汗水从皮肤上蒸发，限制了挥发性有机成分(VOC)的排放，导致皮肤刺激和发炎。而且，典型的弹性体既不是一次性的，也不是可回收的，导致更多的塑料垃圾和增加环境负担。因此，下一代高质量的电子皮肤设备具有更强的舒适性和实用性，应该是透气的、可生物降解的、生物相容的，并且能够承受机械变形，尤其是在身体上长期使用。

研究成果

通过设计模仿人类皮肤特征和敏感性的新型电子皮肤 (E-skin)平台，可以大大改善对人类健康的实时监测。一个高质量的电子皮肤平台可以同时监测多种生理和代谢生物标志物，而不引入皮肤刺激，这是一个未满足的医疗需求。传统的电子皮肤要么是单功能的，要么是由弹性薄膜制成的，不包括天然皮肤的关键协同功能，如单一贴片中的多传感器、透气性和热管理能力。在此，洛杉矶寺崎生医创新研究所Yangzhi Zhu & Ali Khademhosseini教授团队设计并展示了一种基于柔性明胶甲基丙烯酷气凝胶 (FGA)的生物相容性和可生物降解的电子皮肤贴片，用于无创和连续监测多种感兴趣的生物标志物。利用低温处理和缓慢聚合的优势，制造了具有高度互连的多孔结构的 FGA，它显示出良好的柔韧性、被动冷却能力和超轻的特性，使其可以舒适地长期佩戴。它还提供了许多可渗透的毛细管通道，用于热-水分的传递，确保其良好的透气性。因此，基于 FGA 的工程化电子皮肤可以通过电生理传感器同时监测体温、水化和生物电位，并通过电化学传感器检测葡萄糖乳酸和酒精水平。这项工作为具有卓越实用性的下一代电子皮肤平台提供了一种以前未曾探索过的材料策略。相关研究以“A Breathable， Passive-Cooling， Non-Inflammatory， and Biodegradable Aerogel Electronics for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 探索了一种新的制造策略，即在液氮中冷冻 GelMA 预聚物，然后在低温 (-80°C)下进行缓慢的化学聚合，为 GelMA 气凝胶提供灵活性。

2. 这种基于FGA的电子皮肤可以检测日常活动的动态物理生理和代谢反应，包括食物/酒精摄入和运动，以及促进对异常生命体征变化的早期预测。

3. 这是首次报道了具有被动冷却和电子皮肤功能的 FGA 用于多重化学-电生理-物理分析。

总结与展望

作者展示了一种透气的、被动冷却的、生物相容的、可生物降解的、灵活的基于 FGA 的电子皮肤，用于无创的、实时的、同时监测混合化学-电生理-物理信号。通过监测来自汗液的ISF 葡萄糖、乳酸和酒精水平、皮肤温度、阻抗/水化和心电图模式作为模型分析物来验证这种气凝胶电子皮肤的性能。研究了这种多路配置对与常规日常活动相关的刺激的反应，如健身、运动、食物和酒的消费。尽管集成的气凝胶电子皮肤平台显示了很好的功能但仍有很多机会来改进这种设备：(1)通过开发能够处理和无线传输各种传感器模式的数据的集成电子装置，使系统完全小型化；(2)集成其他模块(例如，药物输送系统)，形成一个闭环治疗平台；(3) 将多重感应能力扩展到其他分析物(例如。生长因子、胰岛素或皮质醇)；以及(4)进行全面验证，涉及更多具有不同健康状况的参与者，包括心血管疾病糖尿病和/或酒精使用障碍的患者。通过解决这些机会，作者设想了一个综合的多重可穿戴医疗系统，它可以提供对个人生理和整体健康状况的洞察力，同时使他们能够自我调节和管理各种慢性疾病。这项工作为基于气凝胶的多功能电子皮肤铺平了道路，它能够提供有关人类健康的信息数据，并为下一代以病人为中心的诊断和治疗工具奠定了基础。

文献链接

A Breathable, Passive-Cooling, Non-Inflammatory, and Biodegradable Aerogel Electronics for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis

DOI：10.1002/adma.202209300.

转自：“i学术i科研”微信公众号

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