丝网印刷电极

由华盛顿州立大学领导的一项多机构研究表明，仅使用丝网印刷技术就可以制造出电极，从而创造出可拉伸、耐用的电路图案，可以转移到织物上并直接佩戴在人体皮肤上。相比之下，目前的可穿戴电子产品需要在包括洁净室在内的设施中进行商业化制造，整个过程相当昂贵。

虽然目前某些实施操作在制造过程中部分使用丝网印刷技术，但是该新方法严格依赖于丝网印刷技术。

研究人员使用多步骤工艺将聚合物和金属油墨分层，创建出蛇形结构的电极。采用聚酰亚胺（PI）层的丝网印刷技术易于操作、成本较低、伸缩自如，可实现高通量制造。

将PI与聚乙二醇混合后，表现出剪切稀化性质，显著提升了PI的适印性。然后将预混合的Ag/AgCl油墨用于导电层印刷。将多个电极印至预处理的载玻片上，使其能够轻松剥离，并转移至织物或其它材料上（图1）。

图1

1. 对于可拉伸和一致的贴片，多步骤工艺包含将聚酰亚胺（PI）和导电Ag/AgCl油墨分层，以创建电极结构。

虽然得到的薄图案似乎脆弱，但电极并不脆弱。丝网印刷电极的蛇形图案在拉伸（30%）和弯曲（180度）情况下可适应自然变形，这一点通过计算和实验研究得到验证（图2）。

图2 该设备的底部视图并没有显示大部分的内部结构（ACF是指各向异性导电膜）。

图3 该设备的分解图可更好展示完成的排列情况。

电子绷带加快愈合速度

美国西北大学研究人员开发出一种小型、灵活、可拉伸的电子绷带，据称是首个通过向伤口部位直接施加电疗来加速愈合的绷带。在一项动物研究中，相比未使用绷带的小鼠，该新型绷带使得糖尿病溃疡小鼠伤口愈合速度快了30%。该绷带还能积极监测愈合过程，不再需要时能够在体内无害溶解（包括电极的所有东西）。

受伤会干扰人体的正常电信号。研究人员想知道电刺激疗法是否有助于闭合小的顽固性伤口，此外由于糖尿病导致血糖水平升高从而使毛细血管壁增厚，减缓血液循环，这些伤口会更加难以愈合。通过施加电刺激来恢复身体的正常电信号，吸引新细胞迁移至伤口床。

“虽然这是一款电子设备，但是它与伤口床相连的有源部件可以被人体完全吸收。”西北大学的John A. Rogers说道，他该项研究的共同负责人之一。“正因如此，这些材料在愈合过程完成后会自然消失，从而避免了任何因物理提取而可能对组织造成的损伤。”

联合团队开发出一种小巧、灵活的绷带，能够轻柔地包裹受伤部位周围。智能再生系统的一侧包含两个电极：一个微小的花形电极位于伤口床的上方，另一个环形电极位于健康组织上，可将整个伤口部位周围包起来。绷带另一侧包含一个用于向系统供电的能量收集线圈和一个可实时更新的近场通信（NFC）系统（图4）。

图4

该团队还在绷带中安装了能够评估伤口愈合程度的传感器。绷带无需电线即可远程操作。医生可根据该远程操作决定何时施加电刺激并监测伤口愈合进程。

通过测量流经伤口的电流电阻，医生能够监测伤口愈合进程。电流测量结果逐渐减少与伤口愈合过程直接相关。因此，如果电流量仍较高，医生就能意识到伤口还未愈合。

在一项动物模型研究中，研究人员每天只施加30min的电刺激。即使这么短的时间，伤口愈合速度也加快了30%。伤口愈合后，绷带上的花形超薄钼电极就会简单在体内溶解，无需取出。此外，它不会干扰愈合过程。

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即时读数的汗液传感器

汗液是提供身体有用信息的“金矿”。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们认识到该有点，开发出一款轻薄、灵活且具有拉伸性的汗液传感器，可显示汗液中的葡萄糖、乳酸、钠或PH值水平，只需手指轻轻一按即可做到。

国际医疗器械展览会Medtec China了解到工程师们声称这是首个独立可穿戴设备，支持独立操作传感器，无需以有线或无线的方式连接外部设备，即可直接展现测量结果。该小巧圆盘形贴片设计包含可穿戴传感器所需的所有必要部件：两个集成电池、一个微控制器、传感器、电路和可拉伸显示器。

该设备的制造涉及九种不同的可拉伸油墨配制，用于打印电池、电路、显示面板和传感器。该设备逐层打印在可拉伸聚合物薄片上，然后与水凝胶和微控制器芯片组装成完整设备。优化每种油墨以确保其与其他层的兼容性，同时平衡其电气、化学和机械性能（图5）。

图5

典型的电致变色显示器需要具备导电但易碎涂层的透明玻璃面板，但这不适用于该设备。相反，研究人员转而研究一种叫做PEDOT:PSS的特殊聚合物，它既具备导电性又有电致变色的特性。

在施加负电压时，聚合物从浅天蓝色变为深海军蓝色；在施加正电压时，颜色又会从深海军蓝色变为浅天蓝色。通过使用PEDOT:PSS调整油墨配方，贴片即可打印又可拉伸——重复拉伸20%而不影响其性能（图6）。

图6 贴片重复拉伸20%而不影响其性能

研究人员设计了一个由10个独立像素组成的显示面板，用于通过打开不同数量的像素来显示化学物质浓度。在优化显示器运行条件后，每个像素都可在10000个周期内可逆地开启和关闭，该操作足以使显示器运行一周以上时间。

国际医疗器械展览会Medtec China意识到这些像素仅需要500ms就能改变颜色，在此期间平均只消耗80µW的功率。由于显示器无需电力即可保持显示结果，因此该显示器在使用时非常节能。

智能绷带促进并监控愈合进程

加州理工学院（Caltech）开发出一种可治疗无法愈合伤口（最终会导致伤口感染和溃烂）的智能绷带，并且该治疗方式更简单、效果更好、成本更低。

智能绷带与典型绷带不同，它不仅由吸水材料层组成，还由含有嵌入式电子设备和药物的柔性拉伸聚合物制成。电子学部件使传感器能够监测伤口内的尿酸（UA）或乳酸等分子以及伤口中可能表明炎症或细菌感染的pH值或温度等情况（图7）。

图7

绷带有以下三种反应方式。首先，它可以将收集的数据以无线的方式从伤口传输到附近的电脑、平板电脑或手机上供患者或医疗专业人士检查。其次，它可以将储存在绷带内部的抗生素或其它药物直接输送至伤口部位，用于治疗炎症和感染。第三，它可以在伤口上施加低强度的电场刺激组织生长，从而加快愈合速度。

该可穿戴贴片具备机械柔性和可拉伸性。在整个伤口愈合过程中，该贴片能与皮肤伤口保持紧密贴附，避免对人体造成任何不适或皮肤刺激。该贴片监测一组伤口生物标记物，包括温度、PH值、铵、葡萄糖、乳酸和尿酸。基于反映慢性伤口感染、代谢和炎症状态方面的重要性，才选择上述生物标记物。

该一次性可佩戴贴片由多模式生物传感器阵列组成，可同时和多路进行电化学感测伤口渗出物标记物，载有双功能抗炎和抗菌肽（AMP）的刺激性响应电活性水凝胶，以及一对用于控制药物释放和电刺激的电压调制电极。

多路传感器阵列贴片通过标准的牺牲铜层微加工工艺制造，然后转印印刷至SEBS（苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物）热塑性弹性体基材上。电子互连的蛇形设计和SEBS的高弹性特性使传感器贴片具备良好的可拉伸性和弹性，可防止不良的物理变形。

采用一块大小为36.5 × 25.5mm的四层柔性印刷电路板（FPCB），传感器贴片通过矩形切孔（12 × 3.8mm）直接放置在FPCB下方。电源管理电路由磁簧开关和电压构成。电刺激和给药电路采用参考电压、运放方波发生器和开关阵列。电位计、安培计和温度传感器接口电路由电压缓冲阵列、开关阵列、电压分压器和电化学模拟前端构成。

采用可编程的系统级芯片（SoC）低功耗蓝牙协议（BLE）模块进行数据处理和无线通信。采用3M双面胶带将完全集成的可穿戴设备固定在小鼠或大鼠上，使用液体粘合剂进行固定，以确保强力粘附，使动物能够长时间自由活动。

文章翻译来源：Machine Design

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