Advanced Materials：棋盘格电子皮肤贴片

现有技术缺点：

1. 传统的皮肤接口电子设备（SIEs）面临粘附性差、运动适应性差、难以集成大型电子元件等问题。

2. 化学粘合剂通常会引发皮肤刺激，尤其对婴儿和老年人有较大影响，且环境因素如温度和汗液会削弱粘附稳定性。

3. 现有的形状记忆聚合物（SMP）在室温下刚性较高，限制了运动灵活性，容易在运动中与皮肤脱离。

文章亮点：

1. 提出了利用棋盘阵列排列的刚性和柔性形状记忆聚合物（SMP）的混合策略，优化了皮肤粘附性和适应性。

2. 该设计使得贴片具备出色的变形能力、高拔离强度（1070.2 kPa）、高剥离粘附力（200.9 N/m）、高重复使用性（>500次循环）及卓越的机械变形能力。

3. 该贴片还具有低接触电阻（38.8 kΩ μm）、低皮肤接触阻抗（44.1 kΩ at 10 Hz）和高信噪比（22.5 dB），能够精确检测生理信号，且无线传输数据。

4. 该设计实现了大型电子元件（如信号采集电路、传感器和电池）的无缝集成，同时保持优异的皮肤粘附性和适应性。

应用场景：

1. 个性化医疗和健康监测：该皮肤粘合贴片可用于持续监测生理信号，如心电图（ECG）等，为个性化医疗提供数据支持。

2. 可穿戴设备：可集成到可穿戴电子设备中，适应人体动态运动，并保证设备与皮肤的紧密接触，进行长时间监测。

3. 生物电子设备：可应用于经皮药物输送和人机交互等领域，作为可穿戴医疗设备的一部分。

总结： 

本文提出了一种创新的皮肤粘合贴片，通过采用棋盘阵列配置的形状记忆聚合物（SMP），同时实现了高粘附性、优异的机械性和电气功能。这种设计突破了传统皮肤接口电子设备的限制，为个性化健康监测和其他生物电子应用提供了高效、可重复使用的解决方案。

文章名称：Motion-Adaptive Tessellated Skin Patches With Switchable Adhesion for Wearable Electronics

期      刊：Advanced Materials

文章DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202412271

通讯作者：韩国UNIST Hoon Eui Jeong 和 Jae Joon Kim教授

运动自适应网格皮肤贴片的设计

    运动自适应棋盘皮肤贴片（TSP）具有一种仿生设计，融合了藤壶的表面适应性与犰狳的变形能力（见图1）。

图1. 动态适应性棋盘皮肤贴片的设计。a) 示意图说明了i)附着在粗糙表面的藤壶的表面适应性和ii)犰狳的高变形性。b) TSP与动态皮肤基材的共形附着示意图，展示其棋盘结构，包括刚性和柔性部分，集成了主动传感元件或电极。c) SMP纳米复合材料的化学结构，具有SNP增强。d) i) SMP纳米复合材料在粗糙皮肤表面的粘附机制，以及ii) 在高温下的无定形侧链和iii) 在室温下的半结晶侧链的化学结构。e) TSP的主要优势：i) 动态适应性，ii) 可切换的主动粘附性，和iii) 多功能设备集成能力。

 热机械与表面自适应行为

图2. 热机械和表面适应性行为的TSP。a) i) 制备的TSP照片。插图显示 ii) 刚性与柔性部分之间的结合界面的光学显微镜图像，以及 iii) SNP增强SMP复合材料的横截面扫描电子显微镜图像。b) TSP在 i) 30 °C 和 ii) 45 °C 下的俯视照片。iii) TSP和 iv) NSP在30和45 °C下的储能模量（G’）曲线。c) 不同SA与LMA单体质量比下SMP在不同温度下的G’。d) i) 猪皮和 ii) 适应性TSP的3D激光共聚焦显微镜图像。e) i) 猪皮，ii) 经过皮肤适应和恢复的SNPs增强SMPs，以及 iii) 经过皮肤适应和恢复的未添加SNPs的SMPs的2D横截面轮廓。Rq表示均方根（RMS）粗糙度。

视频 S1

视频 S2

 可调节粘附性

    为了评估TSP的按需粘附可切换性，作者在两种温度（30°C和45°C）下测量了其在猪皮上的拉脱粘附性能（图3a）。TSP即使在湿皮肤上也表现出优异的拉脱粘附力，达到了200.8 kPa（视频S3和S4）。接下来，作者研究了TSP的剥离粘附能力（图3b）。通过调节设计（间隔比）和温度，可以控制剥离粘附性，展示了粘附的可编程性。此外，TSP展现出优良的皮肤相容性，在最长达48小时的附着后，无任何刺激或损伤，反观商业皮肤粘合剂则导致了明显的刺激（图3c）。通过细胞活力测试进一步确认了TSP的高生物相容性（图3d），表明了其在安全的长期皮肤接触应用中的潜力。

图3. TSP的粘附性能。a) i) 示意图展示了TSP的拉脱粘附切换机制。ii) TSP在猪皮上的拉脱粘附强度和粘附切换比率，作为“SNP含量”的函数，在“开”（30 °C）和“关”（45 °C）状态下。回缩速度：2 mm s−1。b) i) 示意图展示了TSP的剥离粘附切换和裂纹阻止机制。ii) 照片展示了在“开”状态下（上）强粘附于皮肤以及在“关”状态下（下）易于释放的情况。iii) TSP和NSP在剥离过程中“开”和“关”状态下的剥离粘附强度。回缩速度：1 mm s−1。iv) TSP在两种状态下的剥离粘附强度和粘附切换比率作为SR的函数。c) 使用TSP和其他皮肤粘合剂在附着3小时后的皮肤刺激比较。d) TSP在小鼠成纤维细胞上的体外细胞毒性测试，经过48小时培养：i) 显微镜图像和ii) 细胞活力的定量分析。

视频 S3

视频 S4

 动态运动适应性与变形能力

    作者探讨了在动态条件下TSP的可变形性和运动适应性（图4）。

图4. TSP的机械性能与运动适应性。a) 展示TSP在不同机械变形下的照片：i) 拉伸，ii) 扭转，iii) 充气。b) 不同SR的TSP的应力-应变曲线。插图显示了不同SR的TSP理论与实验获得的有效弹性模量的比较。c) FEA模拟展示NSP与TSP之间运动适应性的差异：i) 在纵向拉伸应变为25%时，补丁与可拉伸基底之间界面的应力分布，ii) x方向界面的定量Von Mises应力分布，iii) y方向。d) 展示在拉伸应变作用下，附着于人工皮肤的i) NSP和ii) TSP的运动适应性照片。e) 照片展示了i) NSP的有限运动适应性与ii) TSP在手腕弯曲运动中卓越的运动适应性。f) 照片描绘了TSP在各种变形条件下附着于手指背关节的显著运动适应性：i) 伸展，ii) 握紧，iii) 捏合。所有实验均在30°C下进行。

健康监测应用程序

    为了展示其潜力，作者开发了一种可贴附于皮肤的无线心血管健康监测设备。该集成设备被应用于人类受试者的胸部，以通过记录三轴加速度、心电图（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、血压（BP）和心率（HR）在各种活动中持续监测心血管健康（图5f）。

图5. TSP在集成皮肤接口电子设备中用于无线健康监测的应用。a) i) 附着于皮肤的嵌入式AgNW的TSP电极的照片，ii) TSP电极的放大视图，iii) AgNW网络的扫描电子显微镜图像，以及iv) 适应皮肤后的电极表面形态的光学显微镜图像。b) TSP电极与商业Ag/AgCl电极之间接触阻抗的比较。c) 示意图说明了集成了多层设计和各种功能元素的TSP皮肤可贴合电子设备。d) 无线数据采集电路的照片。e) i) 基于液态金属的柔性加热层的照片，ii) 基于液态金属的加热器随时间变化的温度曲线（偏置电压 = 4 V）。插图显示了施加4 V电压10秒后加热器的红外热成像。f) 一名志愿者在进行各种体育活动时佩戴TSP集成皮肤可贴合电子设备的照片。g) 在不同活动中测量的各种生理信号。从上到下：加速度、心电图（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、血压（收缩压和舒张压）以及心率（HR）。

Motion-Adaptive Tessellated Skin Patches With Switchable Adhesion for Wearable Electronics，https://doi.org/10.1002/adma.202412271

免责声明：《未来传感技术》致力于分享关于未来传感技术的科学科普和技术解读。所有内容来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将24小时内删除。