宾夕法尼亚州立大学开发的智能皮肤：健康监测的未来

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宾夕法尼亚州立大学（2024USNews美国大学排名：60）开发的粘附性传感设备：智能皮肤的未来

近年来，随着科技的不断进步，健康监测领域迎来了诸多创新。宾夕法尼亚州立大学的研究团队最近开发了一种粘附性传感设备，这种设备可以无缝地附着在人体皮肤上，以检测和监测佩戴者的健康状况。这种可书写的传感器可以用胶带移除，从而允许在设备上重新绘制新的传感器。该智能皮肤的详细信息，包括如何高效地重新编程以检测各种信号，甚至回收利用，已发表在《Advanced Materials》期刊上。研究人员还为这项工作提交了一项临时专利申请。

尽管在健康监测的可穿戴传感器方面做出了重大努力，但在单一材料平台上制备具有内在粘附性的多功能皮肤界面电子设备仍然是一个挑战。该设备通过简单且低成本的激光刻划制成，具有可重新编程、多功能和粘附性等特点。传统的柔性电子设备制造技术复杂且成本高昂，尤其是当传感器构建在柔性基板上时，传感器本身并不一定是柔性的，这会限制整个设备的灵活性。

激光诱导石墨烯（LIG）技术在柔性电子设备中的应用

研究团队通过使用激光诱导石墨烯（LIG）技术，在多孔柔性基板上图案化3D网络，解决了这一问题。然而，LIG基传感器和设备在柔性基板上并不具有本质的可拉伸性，无法与人类皮肤界面贴合进行生物传感。研究人员通过制备一种含有聚酰亚胺粉末和胺基乙氧基化聚乙烯亚胺的粘附性复合材料，实现了在可拉伸基板上直接制备多孔3D LIG。

激光诱导石墨烯（LIG）技术的进步简化了柔性石墨烯设备的制造。然而，激光辐照引发的超快动力学会产生固有的无定形特性，导致电子设备中的高电阻和性能受损。通过传统方法修复特定图案中的石墨烯缺陷在技术上具有挑战性。本文报道了通过毫秒级闪光焦耳加热（F-LIG）快速修复LIG拓扑缺陷的方法，同时保持其整体结构和孔隙率。F-LIG的ID/IG比从0.84降至0.33，拉曼分析显示其晶体域增加，导电性提高了5倍。配对分布函数和原子分辨率成像描绘了F-LIG的更广泛的有序结构，C-C键缩短至1.425Å。F-LIG的晶体质量和导电性的提高使其在高性能软电子设备和低电压消毒中得以应用。

智能皮肤设备的多功能性和应用前景

这种智能皮肤设备不仅可以监测汗液中的pH值、葡萄糖和乳酸浓度，还可以通过重新编程监测心率、神经性能和汗液中的葡萄糖浓度。设备可以通过电池或近场通信模块供电，未来可能会通过无线电频率进行能量收集和通信。研究团队计划与医生合作，将这一平台应用于管理糖尿病等疾病，并监测感染或伤口等急性问题。

在《Communications Materials》上发表的一篇综述中，研究人员讨论了通过可穿戴传感器和生物接口网络实现数字化连接身体的最新进展和障碍。他们强调了全面和长期健康监测的整体设备生态系统的必要性。非侵入性皮肤传感器的进步，如表皮电子学，通过捕捉体液和提供独特的物理特性，提供了超越传统方法的更复杂的感知。这些传感器包括生化和生物物理能力，允许测量皮质醇等标志物以及生理压力的洞察。

可穿戴健康监测传感器的挑战

将这些创新从实验室转化为临床或家庭使用面临材料和接口、集成和采用相关的挑战。可穿戴生物接口在粘附到皮肤时面临基本挑战，如由于表皮更新导致的操作时间有限和潜在的用户不适。设备类别包括传统的砖块和带子、粘附皮肤的表皮电子学和结合粘附耦合表皮设备与可重复使用电子设备的混合设备。非侵入性刺激器被分类为触觉、电和热刺激器，对于慢性使用至关重要，但需要高能量供应。可穿戴设备的集成影响舒适性、稳定性和传感器性能。高功率供应的需求被认为是主要挑战，限制了设备的连续运行。

用户接受度是可穿戴设备影响的关键方面，隐私、可穿戴性、易用性、数据准确性和感知价值等因素影响保留率。尽管技术令人兴奋，但缓慢的采用可能显著阻碍设备的成功。生物共生设备是一类有趣的可穿戴设备，它们通过软网结构表皮附着，允许长时间使用，并在靠近电源投射器时充电，提供24小时自主操作。总的来说，这些进步对提高心脏病检测和治疗的预期寿命和人口健康具有巨大潜力。

结论

宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发的粘附性传感设备代表了健康监测领域的一项重大突破。这种智能皮肤设备不仅具有多功能性和可重新编程性，还能通过简单的激光刻划技术实现低成本制造。尽管在将这些创新从实验室转化为实际应用时仍面临诸多挑战，但其潜在的应用前景无疑是广阔的。未来，随着技术的进一步发展和完善，这种智能皮肤设备有望在医疗健康监测、运动员训练、以及个人健康管理等领域发挥重要作用。通过与医生的合作，这一平台将有助于管理各种疾病，并监测急性问题，从而为人类健康带来更多福祉。