生命体征

医院里很少有比这些无助的小生命更令人痛苦的景象了，他们身披胶带、管子和电线，在早产儿病房里度过他们生命的最初几天或几周。

材料科学家约翰·罗杰斯美国西北大学的研究人员计划摆脱所有笨重的健康监测硬件。他将所有必要的传感器整合到柔软、灵活的无线电子贴片中，贴到皮肤上。对婴儿来说更舒服，对照顾者来说更方便，并且消除了婴儿和父母之间的联系障碍。

罗杰斯说:“我们在婴儿身上进行了试验，用一对类似皮肤的设备取代所有笨拙的硬件，一个在胸部，一个在脚上，以取代所有的生命体征监测。”“对于某些应用，我们已经接近生产出符合临床金标准的测量方法。

罗杰斯补充说:“新生儿室的环境要求很高。”如果你能让一款设备进入市场，并获得批准和成功，你就已经取得了一些成就。”

罗杰斯瞄准的可穿戴传感器并不仅仅是专门的临床环境。他说:“我们的愿景是每个人都能拥有一台。”罗杰斯和越来越多的其他研究人员正在研究的一种方法是可穿戴的、贴在汗液采样贴片上的非侵入性贴片，可以实时读取富含生物标志物的健康状况。

为人类健康开发新材料比研究一种新的显示设备更令人满意

约翰·罗杰斯，西北大学

而这些装置的核心——实际上也是外围——是化学。从柔软而灵活的生物兼容外壳，到处理生物流体微小样本的芯片上的贴片式微流体，到监测其所含生物标记物的生化传感器，以及将数据无线传输到智能手机的柔性电子设备:“化学是整个事情的中心，”他说杰森Heikenfeld他是美国辛辛那提大学新设备实验室的负责人。

灵活的朋友

罗杰斯是一名训练有素的物理化学家，上世纪90年代中期，他在麻省理工学院乔治·怀特赛兹(George Whitesides)的实验室里做博士后工作，使他走上了目前可穿戴生物传感技术的职业轨迹——尽管是间接的。罗杰斯回忆说:“我们当时正在开发用于柔性聚合物电子设备(主要是柔性显示器)的模式化和微加工的基本化学方法。”

在贝尔实验室工作了几年之后，罗杰斯于2003年回到学术界，不久之后，他在宾夕法尼亚大学电气工程系做了一场关于柔性电子设备的演讲。罗杰斯说:“演讲结束后，有些人问我们是否可以使用同样的技术来绘制大脑的电活动。”“这是我第一次想到，这些相同的平台可能在临床医学、生理学等方面有用。”

他解释说:“对我和我的学生来说，为设备开发新材料和化学物质，对人类健康有某种有益的影响，这比研究一种新的显示设备更令人满意。”

该团队首先开发了灵活的无线传感器，能够测量诸如大脑、心脏和肌肉中的电活动等物理参数。罗杰斯工作的关键是开发基于皮肤贴片的设备，尽可能地匹配皮肤的物理特性——既为了佩戴者的舒适，也因为它可以更亲密、更准确地测量健康参数。

罗杰斯说:“我们与芝加哥的康复中心合作，监测中风患者的康复情况。”通过在身体不同部位粘贴三个贴片，这些设备可以捕捉全身运动学和肌肉活动，以监测患者中风后恢复活动能力的进展。每个传感器都包含肌电图传感器来测量肌肉电信号，加上三轴加速度测量来测量身体运动本身。罗杰斯解释说:“只有当你有亲密的皮肤界面，而且设备柔软、兼容和皮肤兼容时，它才会起作用。”“这本质上是一个化学挑战，你如何让电子产品更像生物，什么材料可以让你做到这一点?”相信我，这些问题的答案不会来自电气工程领域。”

各种聚合物家族已经以柔软、灵活、超薄膜的形式部署，作为智能皮肤贴片的平台。每种聚合物的特殊配方，为应用量身定制，是设备成功的关键。海肯菲尔德说:“使用传统的现成材料，这是非常具有挑战性的。”

汗液中含有大量肮脏的化学物质，可以迅速降解传感器

Takao Someya，东京大学

一些更有前途的是基于硅酮弹性体，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。这些材料不是碳骨架，而是由交替的硅原子和氧原子制成，这为这种类型的应用提供了优势。碳-碳键相当短且刚性，而硅-氧键仍然很强，但更长且更灵活，使这些聚合物的骨架具有固有的弹性。这种灵活性可以通过调整聚合物交联的程度和填料的掺入来进一步调整。PDMS还具有透气性，使其贴着皮肤穿着更加舒适。

在这个聚合物基材上，放置了电子电路和传感器——它们自身必须与聚合物骨架和谐地弯曲。罗杰斯使用的一种方法是将传统的导电材料，如硅或砷化镓，制成细长的蜿蜒的“蛇形纳米带”，这种纳米带可以拉伸，就像用于连接电话听筒和底座的二维卷簧一样。¹例如，集成到这种电路中的小电极可以记录体内的电活动。通过将射频线圈甚至蓝牙芯片集成到贴片中，这些信息可以无线传输到接收器。

到目前为止测试的其他导电电路选项包括由金属、导电聚合物甚至金属掺杂的石墨烯条制成的可拉伸超薄“箔”。

在罗杰斯进入这个研究领域十多年后，现实世界的设备，如新生监控器和康复传感器，开始出现。罗杰斯说:“我们已经很好地找到了测量压力、流量、温度和电势等物理参数的方法。”“但身体真正的语言是生物化学。”

出汗的解决方案

高雄Someya东京大学的研究人员开发了基于可打印导电有机材料的大面积传感器，目前正在研究间接监测人体生物化学的方法。他说:“对于传感器来说，最重要的是可靠性和可重复性，而汗液中含有大量肮脏的化学物质，会很快降低传感器的性能。”

尽管是一个只有3微米厚的贴片，Someya的设备包含了有机发光二极管和有机光电探测器，能够监测血氧水平。²它将光线照射在皮肤上，并检测反射回来的光的波长，以测量血液中含氧血红蛋白的比例。他说:“我们探测光的折射，但也收集化学信息。”该团队目前正在评估其他可以用这种方法测量的生物分子。

但其他研究人员准备直接对生物流体进行取样。罗杰斯说:“我们试图做的是开发这些类似皮肤的设备，它支持电子设备，但也有能力操纵、捕获、存储生物流体并进行化学分析。”

但是要对哪种生物流体进行取样呢?这是海肯菲尔德最初进入这一领域时研究的问题。他解释说:“我们参与其中是因为我们在之前的一个项目上与空军合作了多年，他们开始想要对飞行员进行持续监测。”“我们试图监测与身体和精神表现有关的任何东西。我们开始非常开放地思考什么可能是最好的机会——我们研究了每种生物流体。”

我们的出发点是取样必须是非侵入性的，这就排除了血液。唾液被证明含有太多的污染物，无法发挥作用。“眼泪很有趣，但你不想在眼球上粘太多电子产品和微流体。”That left sweat biosensing – a fluid the nascent wearable chemistry community seems to have converged on. A flurry of papers published in the last 12 months illustrates the promise, as well as the challenges, of sweat biosensing.

使用贴片对汗液进行取样相对简单。它是一种复杂的液体，含有许多有用的生物标记物，其浓度随生理相关性而变化。这些物质包括葡萄糖、乳酸、钠、钾、氯化物等小分子和离子，以及激素和蛋白质等较大的分析物，其汗液浓度与其在血液中的浓度以已知比例相关。

在第一批积木中有Dae-Hyeong金他曾是罗杰斯实验室的成员，目前在韩国首尔国立大学(Seoul National University)管理着伟创力转化实验室(Translational Flextronics lab)。Kim开发了一种实验性的、可穿戴的糖尿病控制电子贴片。^3.贴片样本不仅通过出汗来获取患者的葡萄糖读数，而且在对糖尿病小鼠的测试中，当传感器检测到葡萄糖峰值时，贴片会注射二甲双胍来降低葡萄糖水平。

在Kim的设备一侧进行汗液采样。汗液被输送到一个含有葡萄糖氧化酶的室中。即使在存在乳酸和抗坏血酸等其他汗液代谢物的情况下，这对葡萄糖也是有选择性的;它催化葡萄糖转化为过氧化氢。掺杂金的石墨烯电极可以感应过氧化氢产量的上升和下降时的电化学变化。温度和pH值可能会扭曲传感器的输出，因此这些参数的传感器也被整合到柔性贴片中，以纠正葡萄糖读数。

当葡萄糖水平超过阈值时，设备的另一侧处理药物输送。降糖药物二甲双胍被装入一组微针中，微针本身嵌入一种相变材料——三十二羧酸中，在41°C以上熔化。金-石墨烯加热网将这种材料液化，使微针暴露在皮肤上。在小鼠身上，该设备成功地降低了动物的血糖水平。

金姆说:“我们的系统舒适、无痛、无压力。”该团队目前正致力于提高设备的精度，包括葡萄糖传感方面和给药剂量方面。

没有汗水

但监测汗液有一个基本问题。在一天的大部分时间里，除了早上赶公交车或晚上回家路上去健身房的时候，我们大多数人实际上都不怎么出汗。

海肯菲尔德对这个问题有一个可能的解决方案，它改编自一种收集汗液用于实验室分析的老派方法。他说:“几十年前，人们想出了一个聪明的主意，把凡士林涂在皮肤表面，让汗水通过皮肤表面。”这种方法不仅可以收集汗液，而且汗液不会接触皮肤表面，这是一个潜在的污染源。

但你不能把传感器直接贴在凡士林或其他油性材料的薄膜上，否则你会把传感器粘住。Heinekfeld的进步是在油和传感器之间放置一层薄薄的聚乙烯醇。⁴只有在汗液管正上方的地方，也就是汗液穿过油的地方，PVA才会溶解——直接将汗液输送到传感器进行分析。

这种方法减少了皮肤污染和所需的汗液量:该设备使用纳米升的汗液来读取数据，而不是使用微升的汗液。但在这项技术的早期阶段，汗水监测设备的第一个用途可能是精英运动员，用于监测训练期间的表现——在训练期间产生汗水通常不是问题。精英运动员已经在使用汗液分析来优化表现，但必须对汗液进行采样，然后送到实验室进行分析——这很难是一种实时的读数，可以在整个训练过程中提供反馈。

2016年初，贾维阿里美国加州大学伯克利分校的科学家报告了一种可穿戴的“智能腕带”，可以在运动时测量汗液中的各种分析物。⁵一个灵活的传感器阵列构成了腕带的一部分，使用离子选择性电极(使用选择性渗透膜允许特定的离子通过)来监测关键的电解质，如钾和钠，以及基于酶的传感器来测量葡萄糖和乳酸。传统的柔性印刷电路板处理数据并通过蓝牙传输到智能手机。

罗杰斯采用了一种更简单的方法来检测运动员的汗液，他创造了一个微流体平台，将汗液吸到含有染料的储液池中，这些染料可以改变颜色，从而读出pH值、葡萄糖、氯化物和乳酸盐浓度。⁶罗杰斯说:“化学成分提供了所有的功能，通过颜色变化作为读出。”“手机内置的摄像头就是无线数据采集系统。”And if you carry a printed calibration scale, you don’t even need the phone – you can just eyeball it, he adds.

“我们试图使用最简单的方法，”他补充道，“如果你有一个可以捕捉汗液的设备，成本足够低就好了，你可以把它扔掉!””

詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的科学作家