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直接畫在皮膚上的奈米銀材料生理監測器

出處 University of Houston 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/10/07
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年10月
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        美國休斯頓大學(University of Houston)機械工程學系助理教授Cunjiang Yu帶領的研究人員最近開發出一種稱為「皮繪電子設備(drawn-on-skin electronics)」的新式電子電路,這是種使用特殊墨水,將各種擷取人體生理數據之感測器及電路,以繪畫方式直接畫在人體皮膚上的電子電路,此研究成果已於七月底發表在《自然通訊(Nature Communications)》期刊上。研究人員稱:新式電子電路能擷取更精確、無運動假影干擾(motion artifact-free)的人體生理數據。

        眾所周知,人體皮膚能提供大量可用於監視、預防並且治療不利健康狀況的有用生理資訊,故有許多與皮膚連接,用來收集心臟狀態、肌肉狀況、阻抗、皮膚水化(hydration of skin)等生理資訊的電子設備已經開發出來;而在最近的十來年裡,能在皮膚表面感測的可穿戴式電子技術也正快速發展,通常它們是由柔軟、可拉伸的貼片構成的,希望能與皮膚曲面盡量貼合以擷取精確資訊。然而可穿戴式電子技術仍有因為貼片和皮膚間貼合不完美,感測器無法緊密跟上皮膚移動,因而產生訊號遭到運動假影嚴重干擾的問題,尤其是在貼片及皮膚間介面上造成的機械性干擾更是運動假影最主要的原因之一,因此研究團隊構思開發不需要使用貼片的「皮繪(drawn-on-skin, DoS)」方法。

        就本研究所提出的解決方案來說,研究人員分別使用離子凝膠、稱為Ag-PEDOT:PSS的奈米銀高分子複合材料、及P3HT奈米纖維(P3HT-NF)來調製電子電路的介電質、導體與半導體油墨。DoS電子設備則以圓珠筆配合模具,將三種油墨直接畫在人體皮膚表面而成。由於是直接畫在皮膚上的,所以DoS電子設備自然能緊隨皮膚表面紋理、曲線形狀和運動變形而產生完全一致的拉伸與應變,精準收集無運動假影干擾的生理資訊。目前團隊已經開發出薄膜電晶體、應變感測器、溫度感測器、加熱器、水化感測器和電生理(EP)感測器等等元件,也成功展示基於上述元件技術製作的DoS無線心電圖(ECG)。而將DoS電生理感測器與醫療級儀器進行比較後,研究人員認為DoS電子設備具有以下優勢:當人體流汗時其性能依然穩定、能夠長時間可靠地擷取訊號、可牢固地黏附於皮膚上、感測過程中不會受到運動假影干擾等。此外,研究人員發現應用DoS電子技術對皮膚電刺激還能加速皮膚傷口癒合,更說明了此技術應用在即時護理上的潛力。

        研究團隊期望:未來透過對墨水材料、感測器及電路結構、性能、可變性等之進一步研究,加上無線通訊存取等功能之實現,DoS電子設備或可成為一種新穎且易於普及的個人化電子醫療保健工具。

圖說:a. DoS電子電路製作過程(i)將模板附在皮膚上,(ii)使用特製圓珠筆和墨水在模板上繪圖,(iii)去除模板,(iv)乾燥成形;b. DoS電子設備示例,包括電阻器、電晶體、加熱器、EP感測器、溫度感測器、應變感測器和皮膚水化感測器。

(Source: Faheem Ershad et. al., Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17619-1. CC BY 4.0)