可植入人体的医疗电子器件不仅可以提供重要的生理信号检测，同时还可以为包括心脏功能失常等在内的严重疾病提供及时的治疗。然而，传统医疗器件在应用中存在一些弊端，比如采用硅基硬质材料不能变形，无法很好地贴合皮肤、器官等；再比如存在时间和地域局限性，且操作繁杂，无法对人体进行实时、不间断地监测等。
美国宾州州立大学助理教授程寰宇团队开发出的新型用于生物医学的可变形多模态传感器，不仅可以穿戴在人体复杂的皮肤或内脏器官表面，而且还可以在完成功能后完全溶解在人体内，一举解决了传统电子器件植入后需二次取出，以及与人体器官曲面不兼容等多个问题，这种新型传感器在医疗领域具有广阔的应用前景。
络绎学术 Online 第 40 期，我们邀请到程寰宇教授，围绕“用于生物医学的可变形多模态传感器”为大家进行了内容分享。
以下内容为直播回顾及延伸解读。
传统医疗电子器件性能和精度都有保证，但是缺乏监测的长期性和实时性，因此有可能错过一些非常重要的监测数据和诊断时机。尤其是对于患有心肌梗塞、心脏病等突发性疾病的人群，如若得不到及时地监护和救助，可能会存在生命危险。
另外，根据日前最新发布的第七次全国人口普查数据显示，中国人口老龄化现象持续加剧。随着老龄化的加剧，养老难成为摆在大众面前的重大问题。养老难很大程度上体现在老年群体所面临的各种安全隐患和身体状况不佳方面，比如意外跌倒、突发心脏病等等，如果无法在相对独立的环境中对老年群体进行长期实时监测，他们的健康难以得到有效保障。
程寰宇表示，实时、长期地监测不仅对于有疾病的人群，对于广大老年群体也很有必要性。而进行实时长期监测，就要求传感器能够很好地穿戴在人体皮肤或器官上，在对人体长期监测的过程中进行实时救治。举个例子，糖尿病患者发展到后期可能会面临截肢的危险，如果能够尽早对患者进行监测并及时提供电刺激恢复治疗，可以防止患者病情的持续恶化。
传感器具有柔性、变形特质，可监测对象种类众多
柔性传感器可以监测的对象种类非常丰富，例如，在传感器中加入气敏材料即可实现相对应特定气体的监测。气敏传感器加工方式有两种：其一，加工完成之后加入气敏材料；其二，首先加入气敏材料前驱物，然后在激光扫描加工过程中可以直接转化为气敏材料。
选择特定的金属氧化物则可以灵敏地检测挥发性气体，比如人体的呼吸或皮肤排出的气体，传感器通过气体监测来反馈人体健康状况和机能。加工完成的传感器具有优良的拉伸变形特性，将其贴合于皮肤表面，可以随皮肤进行变形，且在变形过程中依然具备良好的传感效果。
然而，气体检测很难实现 100% 的选择性，即单个传感器很难做到只对单一气体敏感而对其他气体没有反应，这有可能导致气体检测结果不准确。针对这一问题，程寰宇团队采用传感器阵列的形式，通过多个传感器解耦多种气体组分，有效避免各种气体之间的干扰，从而提高检测精确度。
传感器的检测对象不仅局限于气体，还可以用于血糖、乳酸、尿素，甚至是新冠病毒的检测。而对于贴合在人体皮肤表面的传感器来说，相较于血液、尿液、组织液等的采集，汗液、唾液、泪液采集显然更加易于操作。
图1 | 用于汗液采集分析的传感装置（来源：程寰宇，络绎知图整理）以汗液的检测过程为例，如上图所示，贴合在人体皮肤表面的汗液采集分析装置，由基板、微孔、微流管道、腔室等部分组成。装置通过一个小面积（大约包含 9 个汗腺）开口对皮肤表面的汗液进行收集，汗液进入到器件内部，再通过微流管道进入腔室中。
腔室的开口处有疏水阀，汗液进入到腔室，疏水阀阻止其继续流动，只有充满整个腔室形成压强才能冲开疏水阀继续流动。得益于疏水阀结构，装置可以实现非常精准的液体流量控制，每个腔室都能够收集到足够多的汗液进行后续地分析检测。
汗液传感器既可以通过电化学的方式来检测电信号，也可以检测 pH 值，通过表面颜色变化进行直观显示。借助这种传感器，可以在不同的时间点进行汗液收集和分析，进而可以得知人体在不同时间段身体机能状况的变化。
图2 | 汗液传感装置监测 pH 值变化（来源：程寰宇，络绎知图整理）
这种柔性电子器件具有柔性、变形两大特质。不仅是对人体健康监测，还有很多领域对于柔性传感器有迫切需求，动物、植物、机械、建筑等凡是具有柔性表面的物体都可以使用这种柔性电子器件。比如，近些年越来越多的科学家开始借助柔性传感器来研究动物的大规模迁徙、动物之间的交流、植物的生长机理研究、植物疾病的防控等等。
此外，一些大形变机械设备，比如伸缩翼飞机、大型桥梁等，传统传感器无法监测大尺度形变且有可能会被撕裂损坏，而柔性传感器则很容易实现监测功能，可广泛地应用在有形变的结构上，提供实时地监测功能。
对于柔性传感器的发展趋势，程寰宇表示，未来将不再只是把传感器简单地拼凑在一起，而是融合打造多模态传感器，比如可以同时感知动态/静态压力、大小、变化、速度、方向等各种信号数据。
多种传输方式按需而取，信号接力传输是更优解
传感器采集到的信号数据如何进行传输？相较于有线连接，无线的方式显然更为简单便捷。比如，贴合于皮肤表面的传感器将采集到的信号数据传输到手机等设备终端，这一点非常类似于大家佩戴的智能手环，可以通过手机实时查看心率、血氧等健康状况。
信号的无线传输大体可以分为两种：
一、近场传输。近场传输（Near Field Communication）也就是生活中常见的 NFC，有效传输距离只有数厘米，可以用来刷门卡、公交卡、移动支付、身份识别等。NFC 由线圈和芯片组成，线圈的功能是接收和传输能量，芯片则用于分析处理信号数据，线圈和芯片相互配合实现信号近距离无线传输。例如，把传感器贴合在皮肤表面，无需电池进行额外供能，传感器可以直接利用手机靠近时给它的能量进行信号传输。
二、射频天线。射频天线可以进行远距离信号传输，工作范围可达数十乃至数百米。未来有望实现微波传输，类似于调频信号和解调信号，可以通过手机或收音机等来进行无线电波信号的接收。相较于近场传输，射频天线的优势是传输距离更远。
程寰宇表示，在实际应用中，信号的传输通常是采用“接力”的形式，借助多种传输技术相互配合。例如，位于大脑颅内深处的传感器，首先用导线将其连接到大脑皮层表面，然后再借助近场传输传到颅外，最后再通过射频天线传输到手机等设备终端。
对于当前采用的各种信号传输技术，程寰宇指出，“就现阶段而言没有哪一种技术具有绝对优势，需要根据不同的应用场合、应用需求进行综合判断，然后再选择最佳的传输方式。目前，团队使用比较多的是近场传输和蓝牙，主要是两者的技术都颇为成熟且均被商业广泛使用。”
信号频段选取是关键，宽频谱天线不惧拉伸变形
信号的高质高效传输很大程度上依赖于天线。对于天线的设计，程寰宇表示，一方面，可以直接将天线用做传感器来进行信号传输，通过传感器频率的改变反馈信号变化数值；另一方面，将天线用作无线信号能量的传输，这种方式的关键在于信号频段的选取。比如，大家熟知的蓝牙、WiFi 等都是使用固定频段（2.4 GHz）进行信号传输的。
针对天线，该团队设计出两种解决方案：
一、采用宽频谱天线。天线频谱横跨多个波段，即便天线被拉伸变形导致出现频谱偏移也能覆盖到有效波段，不影响信号传输。具体地实现方法是将长短两条天线采用弯曲的设计形式，随着天线拉伸被展长，长短天线耦合在一起，两条天线处于两个不同的波峰，当两个波峰耦合到足够近的时候，可以叠加成为一个较为宽的波段，进而实现宽频谱天线。
这种宽频谱天线在工作过程中不会受到形变的影响，同时还能够与各式各样的传感器进行连接，比如监测温度、血压、心电图等，另外，整个传感器系统的加工制造也比较简单，半小时内即可完成加工全程。
图3 | 天线的设计以及信号传输（来源：程寰宇，络绎知图整理）
二、有基底的窄频谱天线。如果把天线放置在基底之上，其性能将不会受到拉伸变形的影响。团队通过实验研究发现：当把天线放置于身体的不同部位时，天线的信号传输表现较为稳定；当把天线分别放置于人体皮肤表面和体外时，即便传输距离有大幅度改变，两种方式的接收功率也基本一致。这表明，天线不论是否放置在皮肤表面，信号传输都不会受到影响。
天线除了能够传输信号，还可以进行周边环境能量的收集。在天线上连接整流器，即可用作整流天线，用于收集环境中的无线电波，将其整流成可用的直流电，进而可以实现为电池充电、传感器供能等一系列功能。传统窄频谱天线容易受到环境影响，当环境能量很低的时候，整流器中的二极管没有完全被打开，因而效率非常低（＜0.1%），团队开发的宽频谱天线可以把特定频段和周边频段的能量进行整合叠加，效率可以达到 10%，有着近 100 倍的提升。
图4 | 环境射频能量的收集（来源：程寰宇，络绎知图整理）
可降解材料的选择以及寿命的人为调控
上文提到的柔性电子器件都是在体表使用，想要把这些器件植入人体内使用，则需要全部使用可降解材料。
传感器由基体材料、连接线、电子元件等组成。
/ 基体材料：采用天然蚕丝、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）等生物相容性的可降解材料；
/ 连接线：采用镁、铁、锌等金属，这些都是人体日常所需要摄入的微量元素；
/ 电器元件：一般采用硅、SiO? 等，拥有极佳的稳定性和可靠性。
SiO? 既然很稳定，是不是就意味着难以降解？团队通过实验得知，将器件放入生物溶液中依然会被降解掉，只不过降解的速度很慢而已，通常情况下每天能够降解 1-2nm。
非常关键的一点，传感器使用的金属材料还可以帮助人体补充微量元素。例如，日常人体需要每天摄入 300mg 的镁和 10mg 的硅，而传感器中含有 100μg 的镁和 3μg 的硅，这也就意味着“吃”传感器还能适当补充微量元素。
团队将人体必须的微量金属元素做成导电的导体，以及电容、电感、电阻、二极管等各种晶体管元件，不同的元件重新组合便可以实现各种各样的复杂功能。但这里又面临一个棘手的问题：可降解传感器植入人体后，若是直接被降解就无法发挥该有的功能。因此，需要对传感器的寿命进行调控，让传感器在一定时间周期内发挥功能稳定运行，等过后再被逐渐降解。换言之，传感器在人体内大致经历两个阶段：稳定运行阶段、降解吸收阶段。
以镁为例，正常情况下镁进入人体大约半小时就被完全降解掉。但如果在镁的外表面封装一层或多层 MgO 和天然蚕丝外衣，可以有效延缓降解过程，提高镁在人体内的存留时间。目前，团队通过采取多层封装的方式已经实现了对镁寿命的精准调控。
图5 | 对镁进行多层封装实现传感器寿命的人为调控（来源：程寰宇，络绎知图整理）
通过封装材料和技术来保障传感器的功能的发挥，并降低人体排异反应的出现。这种柔性可降解器件的应用前景广泛。比如，将其植入大脑皮层表面，可以监测睡眠状况、癫痫等；植入大脑内部的深腔，可以监测颅内的压力、温度等；植入心脏可以监测心电图，以及心脏的病变等。
纳米颗粒的加入，实现常温下的快速加工制造
针对目前形势依然严峻的新冠疫情，团队正在基于现有的材料体系制作直接粘附于皮肤表面、低成本的无线传输传感器和无线传输模块。关键在于，这种传感器即便经过弯曲、折叠、揉皱、浸水等也依然能保证拥有稳定的性能。
制作这种材料最大的技术瓶颈是银纳米颗粒很难在低温下烧结，为此，团队进行了大量的实验研究并取得了实质性进展。具体的实现方法：喷涂助粘层（一种在聚乙烯醇胶水添加了纳米颗粒的混合物），由于助粘层具有多孔结构，可以有效降低表面粗糙度，涂完助粘层之后可以令表面更加光滑，然后便可以实现表面银纳米颗粒的印刷。
图6 | 柔性传感器的原理和成品展示（来源：程寰宇，络绎知图整理）
纳米颗粒的作用：第一，增加了粘性；第二，降低了烧结温度。纳米颗粒的选择至关重要，团队一直在尝试不同的纳米颗粒并以此来筛选对于制备有帮助的材料。比如加入 TiO? 或 CaCO? 纳米颗粒，可以让烧结温度从 400°C 降至 200°C、100°C、乃至室温。
“材料是根基，对于我们非常重要。”程寰宇说道，选择合适的材料，不仅能提高相应的性能，也能实现一些特殊的功能，比如加工制造的方式，甚至还可以和一些智能材料相结合，比如具有自我感知和自我调控功能的柔性机器人等等。
接下来，传感器如何实现在皮肤表面的固定？
其一，可以采用“ 3D 打印”的方式打印在皮肤表面；
其二，可以采用“盖图章”的方式。通过印章蘸取墨水，直接印在皮肤表面，再通过电吹风干燥处理，即可完成传感器在皮肤表面的固定。
加工完成的传感器可以实时监测人体温度、湿度、血氧等一系列体征变化。由于传感器是由可降解的材料制作而成，在用完之后可以直接用温水清洗掉，不会对皮肤造成任何伤害。值得一提的是，由于这种传感器是与皮肤直接接触，界面阻抗微乎其微，因而测得的信号数据（比如心电图）更加精确，相较于传统传感器性能更佳。
未来研究方向：无线传输和自供能
对于接下来的研究动向，程寰宇表示主要是无线传输和自供能这两大部分。无线传输可以基于蓝牙、近场传输、射频天线等；自供能，可以借助压电材料、热电材料、摩擦电材料等。
程寰宇展示了目前正在开发的自供能体系：整个系统基于一个超级电容器，它可以给各种传感器供能，它自身则是通过摩擦电纳米发电机来进行充电，人体正常活动便可以通过摩擦电产生能量，对超级电容器充电，进而对传感器进行供能。
团队还开发了贴合在手腕的柔性传感器，随着手腕进行一系列活动，传感器实时采集信号变化、监测运动数据，进而通过机械臂将手腕的活动轨迹进行重现。借助传感器，手腕可以无线操控机械臂实现基本一致的连续动作，这意味着柔性传感器可以用机械臂替代人工，应用于智能组装车间，也会带来全新的智能人机交互方式。
图7 | 借助柔性传感器操控机械臂（来源：程寰宇，络绎知图整理）
程寰宇团队一方面结合新型材料，不断完善、优化和提高传感器性能；另一方面，同步研究和开发生物监测标签标记物，实现更精确、更有效地监测疾病。不同的疾病对于传感器监测有不同的需求，团队试图寻求一种信息组合，达到最精确的监测效果，有助于对疾病进行更好地分析。
依托这种柔性传感器，在采集到大量医学监测数据后可以与 AI 相结合，如此一来便能够更精确地进行集中监测和早期诊断，这是传统医疗器件难以企及的。接下来，结合 AI 来分析海量的医学监测数据，通过不断优化改进，进而形成一个完善健全的医疗体系，这项工程对于人们的健康有很大的推进作用。
对于柔性可降解电子器件在临床方面的应用，程寰宇表示，已经有相应的研究但是还不够多，因为临床应用涉及到整合资源、以及大量的临床实验研究等，但是，这个领域在市场中已经小具规模。未来，社会层面的广泛需求将会对可穿戴传感器技术产生强大的推动力，聚焦现阶段，当下还需要更多的资源来支持产业化的进一步发展。
关于这项技术的产业化之路，程寰宇指出，产业化并不是把产品简单组装在一起售卖，从小规模生产走向大规模商业化的过程中，质量把控是极其关键的。他表示，一方面，与企业合作，将各种资源打通整合，包括硬件、传感、软件以及后期临床实验等的整合，从产品的商业化层面分析策略，寻找对应的目标群体，实现阶段性的推进；另一方面，尝试做初创公司，推动技术发展和应用落地。
图8 | 柔性可降解传感器的应用前景广阔（来源：程寰宇，络绎知图整理）
谈及未来，程寰宇期待能有更多交流与合作，进一步拓展材料的选择空间，完成更多、更复杂的功能，共同推进技术的快速迭代。一旦这种柔性可降解器件被广泛使用，可以改变当前对于健康和疾病惯常的监测手段，打破传统医疗局限性，实现更高效、更及时地检测，早期诊断、筛查和治疗，为更多人的健康保驾护航，造福于社会。
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