皮肤可以发出某些与健康相关的信号，例如皮肤干燥时会感觉更紧绷，这表明需要保湿。但如果皮肤可以更智能，能够监测和分享特定的健康信息，例如汗液中的葡萄糖浓度或心率，那会怎样?这个问题促使宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的团队最近开发了一种粘合传感装置，可以无缝贴合人体皮肤，以检测和监测佩戴者的健康状况。

智能皮肤的细节，包括如何有效地重新编程以检测各种信号，甚至回收利用，发表在《先进材料》杂志上。这篇论文被收录在“新星”系列中，该系列由多家期刊协调，旨在突出世界各地早期职业研究人员的工作。研究人员还就这项工作提交了一份临时专利申请。

“尽管人们在可穿戴健康监测传感器方面付出了巨大努力，但尚未出现通过低成本、高效的制造方法在单一材料平台上制备出具有内在粘附性的多功能皮肤界面电子产品，”共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程学院詹姆斯·L·亨德森纪念工程科学与力学副教授Huanyu “Larry” Cheng说道。“然而，这项研究引入了一种可通过简单且低成本的激光划线制造的皮肤可附着、可重新编程、多功能的粘合设备贴片。”

程教授解释说，传统的柔性电子产品制造技术可能非常复杂且成本高昂，尤其是因为建立在柔性基板或基础层上的传感器本身并不一定具有柔性。传感器的刚性会限制整个设备的灵活性。程教授的团队之前使用激光诱导石墨烯(LIG) 开发了生物标志物传感器，该技术涉及使用激光在多孔柔性基板上形成 3D 网络。激光与基板中所含材料之间的相互作用产生了导电石墨烯。

“然而，柔性基板上的基于 LIG 的传感器和设备本质上不具有可拉伸性，无法与人体皮肤界面贴合以进行生物传感，”Cheng 表示，并指出人体皮肤的形状、温度和湿度水平是可变的，尤其是在体力消耗期间，可能需要监测心率、神经性能或汗液葡萄糖水平。“虽然 LIG 可以转移到可拉伸弹性体上，但该过程会大大降低其质量。”

因此，程教授表示，对传感器设备进行编程以监测特定的生物或电物理信号变得更加困难。即使可以对设备进行适当的编程，其传感性能也常常会下降。

“为了应对这些挑战，非常希望直接在可拉伸基底上制备多孔 3D LIG，”共同作者朱佳说，他于 2020 年从宾夕法尼亚州立大学获得工程科学与力学博士学位，现为中国电子科技大学副教授。

研究人员通过制造一种粘合复合材料实现了这一目标，这种复合材料由一种称为聚酰亚胺粉末的分子(可增加强度和耐热性)和一种胺基乙氧基化聚乙烯亚胺(一种可以改性导电材料的聚合物)组成，这些聚合物分散在硅酮弹性体或橡胶中。这种可拉伸复合材料不仅适合直接 3D LIG 制备，而且其粘合性质意味着它可以贴合和粘附在不均匀、多变的形状上——就像人类一样。

研究人员通过实验证实，该设备可以监测汗液中的 pH 值、葡萄糖和乳酸浓度，也可以通过手指刺血检测。它还可以重新编程，以实时监测心率、神经性能和汗液葡萄糖浓度。重新编程很简单，只需将透明胶带贴在 LIG 网络上并将其撕下即可。然后可以将基板重新激光打磨至新规格，最多可重复四次，直到基板变得太薄。一旦基板变得太薄，整个设备就可以回收利用。

至关重要的是，据程教授介绍，该设备仍然具有粘性，即使皮肤被汗水或水弄得湿滑，也能进行监测。目前，该设备由电池或近场通信结节(如充电器)供电，可以收集能量并通过电频率进行通信，研究人员表示，这将形成一个独立的、可拉伸的粘合平台，能够感知所需的生物标志物并监测电物理信号。该团队表示，他们计划与医生合作，朝着这个目标努力，最终将该平台应用于管理糖尿病等各种疾病，并监测感染或伤口等急性问题。

程先生说：“我们希望创造下一代智能皮肤，它集成了健康监测传感器，可以评估各种治疗方法对健康的影响，还配备了药物输送模块，可以及时治疗。”

程教授还隶属于生物医学工程系、机械工程系、建筑工程系和工业与制造工程系，以及材料研究所和计算与数据科学研究所。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的其他合作者包括张先哲、星程浩和刘尚斌，均为研究生;以及副研究员 Farnaz Lorestani。来自宾夕法尼亚州立大学以外的合著者包括电子科技大学的肖阳、李嘉英、孟柯、高敏、潘泰松和林远;以及中国科学院苏州生物医学工程与技术研究所的童瑶、张莹莹、张森浩、鲍本昆和杨洪波。李教授也隶属于该研究所。