文章链接：https://doi.org/10.1039/D2CS00207H

摘要：皮肤生物电子学被认为是个性化医疗保健的理想平台，因为它们具有独特的特性，如薄、轻、良好的生物相容性、优异的机械强度和良好的皮肤顺应性。皮肤界面生物电子学的最新进展促进了医疗保健和精确医疗的各种应用。特别是，用于长期、连续健康监测的皮肤生物电子学提供了对各种健康状态的有力分析，提供了早期疾病诊断和治疗的途径。在这篇综述中，我们讨论了(1)代表性的医疗保健传感设备，(2)用于长期、连续健康监测的皮肤生物电子学的材料和结构选择、设备特性和无线技术，(3)医疗保健应用:电生理、生物物理和生物化学信号的采集和分析，以及综合监测，(4)用于长期、连续健康监测的未来皮肤生物电子学设计的合理指南。对先进的皮肤生物电子技术进行长期、持续的健康监测，将为及时的疾病预防、筛查、诊断和治疗带来前所未有的机遇，展现出革新传统医疗实践的巨大前景。

通过利用微制造技术、无线通信和微型化微电子技术的进步，目前商业化的可穿戴设备可以在正常生活条件下持续监测个人的生理信号。这些收集的生物信号在分析穿戴者的健康状况方面发挥着至关重要的作用，尤其是老年人、慢性病患者和老年人运动员的表现。商业化的可穿戴设备(如智能手表、表带和基于服装的小工具)的一个局限性是，它们不能与人体皮肤形成舒适的接触，从而导致信号差和佩戴舒适性差。此外，这些可穿戴设备通常被限制在几个特定的身体位置，从而限制了穿戴者的移动性。

新兴的一类生物电子产品——皮肤生物电子产品——即使在大的重复变形下也具有出色的皮肤顺应性，从而可以缓解这一问题。强大的动态设备——皮肤接口使生物电子产品能够以一种不易察觉的方式监控实时、连续的生理、生物电和生物化学信号。由于其独特的特性，如轻薄、良好的生物相容性、出色的机械强度和出色的皮肤贴合性，它被誉为个性化医疗保健的理想平台。皮肤接口电子设备的快速发展使得软机器人、人机接口、物联网，以及健康监测、健身、疾病诊断、治疗和药物输送和智能假肢中的众多生物医学应用等新兴应用得以实现。特别是，用于长期连续健康监测的皮肤生物电子学可以收集及时、高保真的重要生物信号，如人体活动、体温、心脏标测、电生理信号，以及对日常生活中受试者的体液和呼气进行分子分析。收集的生物特征信息提供了对各种健康状况的有力分析，以方便和非侵入性的方式为预测性疾病预防、筛查、诊断和治疗开辟了一条途径。代表性的皮肤生物电子学如Fig1所示。皮肤生物电子学的发展显示了其高精度健康监测和生物诊断的能力。有许多关于皮肤或可穿戴电子健康监测的综述。有些概述先进材料或装置，有些强调持续监测某个特定目标，如分子、活动或伤口。但是，它们都没有将皮肤生物电子学长期保健作为重点。用于长期、连续健康监测的皮肤生物电子技术为及时的疾病诊断和治疗提供了巨大的能力，有望彻底改变传统的医疗实践。因此，缺乏一个综述，以提供一个鸟瞰皮肤生物电子学的重点是长期，连续的健康监测。提出的议题非常及时。这篇综述中提供的知识和见解将在三个方面使更广泛的科学界受益:(1)刺激高性能皮肤生物电子学的先进可穿戴技术的发展；(2)鼓励皮肤生物电子学朝着长期、连续监测受试者的广泛健康状况的方向继续发展；以及(3)加速实现未来皮肤界面生物电子学的全部潜力，其可以在家庭和社区环境中提供即时保健。此外，关于这一主题的综述将吸引软电子和生物医学领域研究人员的极大科学兴趣，以及用户、医疗保健资助者、科技巨头和医疗保健提供商的巨大商业关注。

这篇评论从面向医疗保健的典型皮肤接口传感设备开始，重点关注材料、设备结构和机制，然后阐述材料和结构选择、设备特性和皮肤生物电子的无线技术，以实现长期、连续的健康监测。该综述还将强调具有长期运行能力的皮肤生物电子学的实际应用前景(参见Fig2中的报告概述)。然后，我们总结了皮肤生物电子学领域在长期、持续健康监测方面的挑战、机遇和未来方向。

2 代表性保健传感

由于材料科学、工程技术、纳米制造和系统集成的进步，近年来在皮肤生物电子领域取得了重大进展。通过将刚性无机功能材料与弹性材料一起构建成柔性形式，柔性生物电子系统可以贴合在人体的任意部位，并在连续、重复的皮肤变形下保持设备功能。为了实现皮肤生物电子学在健康监测中的全部潜力，所有与皮肤接触的电子元件都应在长期连续佩戴过程中具有最先进的操作特性，在此期间，传感设备从人体中提取生物信息学信息，能源设备提供电源、集成电路处理和传输数据，并向佩戴者显示传达结果和反馈。首先，我们将关注人类医疗保健中的皮肤集成软传感设备。

事实上，我们的身体不断辐射出高度个性化的电、机械、热和生物化学信号，指示我们健康、情绪和行动。例如，电生理信号由心脏、大脑和肌肉的电活动产生。身体活动引起皮肤的生理反应。眼泪和汗液等身体分泌物可为疾病管理提供重要的生物医学信息(如pH值、离子、分子和挥发性有机化合物)。上述健康指标的测量和分析将在第4节中讨论。为了收集这些生物信号，开发了相应的可安装在皮肤上的传感设备。根据工作机制，我们将皮肤传感设备分为四类:电、生物物理、光学和生物化学。我们进一步讨论其他新兴的传感设备，如基于晶体管和多模式设备。

2.1 四种传感模式

在本节中，我们将讨论电学、生物物理、光学和生物化学传感设备。对于每种传感模式，将分别讨论其工作机制、材料和设备配置。

2.1.1 电气传感

基于不同的皮肤接触，电传感器可以分为湿电极和干电极。由于长期应用需要长时间或反复附着在人体皮肤上，考虑到潜在的干燥和皮肤刺激问题，湿电极(如标准Ag/AgCl凝胶电极)并不合适。在本次综述中，我们将讨论干电极。干电极与人体皮肤直接接触，为长期生物电位信号监测提供了一种非侵入性方法。通过保形电接触记录皮肤电阻的微小变化。皮肤上的水分，如汗水，增强了干电极的稳定性。如Fig3所示，泄漏电阻和电容的并联电路已被用于表示贴合电极-皮肤界面的电路模型。因此，记录的生物电势信号的信噪比(SNR)取决于几个参数：电极电导率、皮肤接触面积和界面处的气隙。在其最简单的形式中，干电极可以由能够与人体皮肤接触的任何导电材料制成。为了实现皮肤顺应性，已经开发了纹身或无基底的干电极。为此，人们发明了一种由碳纳米材料、金属纳米材料、导电聚合物及其混合物制成的超薄导电材料层。另一种实现顺应性和拉伸性的方法是将上述导电材料与弹性材料相结合，如天然聚合物(如纤维素和丝绸)、硅弹性体(如Ecoflex、聚二甲基硅氧烷(PDMS))、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、聚乙烯(PE)，聚对二甲苯，丙烯酸酯，电纺纳米纤维和可生物降解的聚合物(如聚醋酸乙烯酯(PVA)和聚乳酸)，其中构造了双层结构、泡沫结构或复合膜。各种各样的材料已经被用作制造皮肤上的电传感器的导电构件。典型的导电材料是金属薄膜，纳米结构材料 (例如，金属纳米颗粒和纳米线，碳纳米管，石墨烯)，液态金属，导电聚合物及其混合物(Fig4)。

在物联网的现代时代，电子传感器为实现移动健康提供了充满希望的机会。除了典型的生物电势记录，例如心电图(ECG)、眼电图(EOG)、肌电图(EMG)和脑电图(EEG)，皮肤电传感器可用于刺激皮肤表面，或确定皮肤本身的电特性，包括水合程度、电解质浓度和出汗的开始。

2.1.2 生物物理传感

皮肤界面生物物理传感器包括应变、压力、触觉、温度和声学传感器。这些感测设备的检测能力范围从识别由血流引起的负机械皮肤变形到由关节弯曲运动引起的显著皮肤拉伸。根据工作机制，物理传感器可以分为四种类型：压阻式、电容、压电和摩擦电以及离子电。每种传感方式的工作机制如Fig5所示。

压阻效应被描述为由机械变形（即应变和压力）引起的电特性的变化。应变仪的灵敏度由规范系数(GF)表征：GF=(ΔR/R0)/(ΔL/L0)= (ΔR/R0)/ε，其中ΔR和ΔL分别是电阻和长度变化，R0和L0分别是初始阻力和装置长度，ε是施加的应变。对于在法向施加力的压力传感器，灵敏度(S)表示为：S=(ΔI/I0)/ ΔP。这里，ΔI和ΔP分别是电流和压力变化，I0是无压力时的初始电流。在皮肤电子设备中，柔性压阻物理传感器因其简单的器件结构而得到广泛研究。典型的压阻式物理传感器是通过将电气材料沉积在聚合物基底上或将它们嵌入到聚合物基体中而构成的。常用的聚合物基底包括PI、聚对二甲苯、聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)SEBS、Ecoflex、PDMS、PU和PVA。各种电气活性材料已被用于皮肤上的生物物理传感器开发，诸如金属材料(如金属薄膜、金属液体、金属纳米材料)、离子液体、碳基材料(如炭黑、石墨烯、碳纳米管)、导电聚合物及其混合物。例如，Ag纳米线(NWs)和金纳米线集成渗透网络用于制造皮肤上的透明应变传感器，用于情绪监控，测量系数高达236。使用这些材料开发的电阻型传感器表现出诸如高灵敏度、低检测限、低滞后和良好循环性能的优点。此外，低工作电压和低能耗使电阻式传感器成为移动医疗保健系统的理想选择。

电容式传感器具有典型的夹层结构，由两个平行电极和一个中间介电层构成。电容(C)可通过C=ε0S/d计算，其中ε0代表电介质层的介电常数，S和d分别是电极面积和电极之间的距离。应变或压力等变形会导致电容变化。金属材料(如金属薄膜、金属液体、金属纳米材料)和碳基材料等导电材料已被用于制造电极板。电容式传感器具有出色的传感线性，尽管在实际应用中应考虑来自身体和环境的寄生噪声。

压电效应是在外力、压力或应变下压电材料内部的电极化的变化，导致压电材料表面的表面电荷(电压)的变化。压电是瞬间产生的，因此，压电传感器具有快速响应时间和高灵敏度。常见的压电材料有聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))、氧化锌纳米线(ZnO NWs)、锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)。最近，Sun等人利用整合算法和三维(3D)数字图像相关性的可贴合压电薄膜来可靠地解码面部运动。压电传感器具有高灵敏度、实时感测和良好灵活性等有前途的特性，可用作自供电皮肤传感器。

摩擦起电型传感器的基本工作机制是机械变形导致两个摩擦起电部件之间的相对位移，从而导致两个工作电极之间的电位差，并驱动电子流过。Zhonglin Wang等人开发了许多基于摩擦起电效应的可穿戴电子设备。摩擦起电效应广泛存在于人类生活中，任何材料、任何状态(固体、液体、气体)下都会产生摩擦起电效应。类似于压电传感器。 摩擦电传感器是自供电皮肤传感器的良好候选，因为其结构简单、易于制造、工作模式多样、材料选择多样以及功率密度高。各种材料可用于摩擦电型传感器，如聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和丝绸。

离子电子型传感器可以通过在纳米级双电层(EDL)界面处增强的应力/压力引起的电容变化来基本上克服寄生噪声。它们由离子材料制成，如离子液体、离子凝胶或离子纳米纤维，这与传统的平行板电容传感器。离子电子传感器展现高透明度、良好的拉伸性和显著的器件灵敏度。至于皮肤上的应用，由于生物相容性问题，应该仔细考虑离子传感器的材料选择。最近研究表明，在液体/固体界面调节EDL可导致在环境刺激下发电。使用金字塔结构水凝胶和介电聚合物开发了一种基于EDL的自供电摩擦电传感器。

2.1.3 光学传感

如今，商业化的小玩意配备光学传感器可以测量生物信号，包括计步数、呼吸频率、血氧含量、心率，甚至睡眠习惯。这种光电技术在可穿戴电子领域已经引起了相当大的关注。光学传感器不受电磁辐射的影响，能够以相对较大的穿透深度对生物物质进行非侵入式审查。大量的生物医学信息通过非侵入式皮肤界面光学设备获得，其中测量是在皮肤暴露于特定波长的光源时进行的。基于特定的应用选择光源，从单波长激光器到窄带发光二极管(LEDs)。为了获取生物医学信号，如血压、心率或葡萄糖浓度，光学传感器测量反射、吸收或折射光的变化。典型的光学传感器技术包括有机发光二极管(OLEDs)、有机光电二极管(OPDs)、有机光电晶体管(OPTs)、光敏电阻、光纤、比色传感器、等离子体传感器和荧光传感器。心率和氧合是有机光电器件广泛监控的参数设备。体液中的化学生物标记，例如pH、代谢物(如葡萄糖和乳酸)和电解质(例如H+、Na+和Cl-)可以使用光学化学传感器进行监测，如基于比色、荧光和发光的传感器。

有机光电设备，包括OLEDs、OPDs和OPTs，可在柔性弹性体上生产，以实现人类皮肤的可穿戴性。可穿戴的OLED、OPD和OPT设备已显示出有前途的特性，例如经济高效的大面积低温工艺，以及通过分子工程调整光学特性的能力。这些设备被称为光子皮肤传感器。Fig6显示了有机光电器件的器件结构和工作机理。OLEDs由夹在阳极和阴极之间的有机发光材料组成。在阳极和阴极之间，发射层(EML)位于电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之间。当施加电压时，电子和空穴在EML中重新结合，导致光照。OPD具有类似于OLEDs的结构，其中光活性层夹在阳极和阴极之间，但是具有相反的工作机制。当入射光具有充足的能量时，激子产生并分离成自由空穴和电子，然后通过HTL和ETL扩散到阳极和阴极。OPTs是一种光敏有机场效应晶体管(OFETs)，由栅极、源极和漏极、介电层和光敏半导体沟道层组成。在光照下，沟道层吸收光，然后由OPT产生光电流。光敏电阻具有相对简单的结构，其工作机制也非常简单，在光照下电阻会发生变化。与其他光学传感器相比，光敏电阻的响应时间更长，但动态范围更大。

透明导电电极是光子皮肤传感设备的关键组件。金属纳米纤维/纳米纤维、碳纳米材料(石墨烯和碳纳米管)、液态金属和导电聚合物，如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)已被用作具有可调透明度和导电性的电极材料。对于活性半导体材料，由发射聚合物、离子导体和盐制成的复合材料已用于OLEDs，而溶液加工的块状异质结(BHJ)材料是OPD的常用选择。对于光敏电阻，最近报道了硫化镉(CdS)、二硫化钼(MoS2)和钙钛矿等活性材料。通过调节装置界面、装置结构和活性层中的组件，可以增强光子皮肤装置的性能。

2.1.4 生化感应

直接化学检测是广泛用于金标准的血液和尿液测试，通常伴随着医院庞大而昂贵的分析仪器。作为这些庞大仪器的有吸引力的替代品，皮肤上的生化传感器能够在分子水平上动态评估人类健康。特别是在过去的五年里，创新的材料和灵活的设计促进了无数生化传感器的发展，这些传感器可以直接识别和量化体液中的代表性电解质、代谢物、重金属和有毒气体，如唾液、眼泪、汗液、伤口和间质液，以及呼出的气体。如光学传感小节所述，通过化学-光学转换，光学传感器可以检测许多生化信号。在下文中，我们将讨论使用化学-电转换的生化传感器。Fig7a显示了典型电化学生物传感器的工作原理。可使用各种电化学方法对分析物进行取样和分析，例如两种主要的安培法和电位法技术，以及其他方法，包括伏安技术、基于亲和力的免疫传感器和DNA传感器，它们在功能化电极上显示电变化，即电流或电势，并将相关分析物浓度转换为可读信号。典型的软电化学传感器包括三个元件：柔性基板、活性层和电极。电极通常包括工作电极(WE)或传感电极、反电极(CE)以及一个额外的参考电极(RE )，通过保持一定的电位来补偿由连续化学反应引起的不平衡，从而有助于系统稳定。在电极之间存在一个电解质层来分隔它们。电位化学传感器在选择性识别目标分析物的情况下测量电位变化。离子选择性电极用于仅允许一种特定的离子分析物确定电压响应(Fig7b)。就电流型化学传感器而言，在WE和RE之间施加电势，在目标分析物存在的情况下，通过电子转移反应导致电流变化(Fig7c)。

常用的衬底材料包括在电传感部分中描述的聚合物，这些聚合物能够为皮肤层压的生化传感器提供生物相容的物理性质和界面。金属纳米材料(包括过渡金属基纳米材料、碳基材料、导电聚合物及其混合物)因其高导电性和易于制造而常用于电极制备。其中，金纳米材料因其优异的生物相容性和卓越的抗氧化性而广受欢迎。目前，两种主要的方法，如酶和抗体/适体已被用于修饰WEs以提高传感器的灵敏度和选择性。与电极中保持不变的电材料相反，WEs中的活性材料需要对感兴趣的分析物具有足够高的灵敏度。最近化学传感器中使用的最常见的纳米材料类型包括过渡金属基、碳基和聚合物基材料。这些材料既以原始形式使用，也以纳米复合材料的形式组合使用，如聚合物/金属、碳/金属、和聚合物/碳。

2.2 其他传感设备

随着上述四种发展良好的传感模式的出现，新兴传感器平台得到了进一步发展，从而产生了基于晶体管的多模式传感设备。在接下来的部分，我们将重点讨论基于晶体管的多模式传感设备。

2.2.1 基于晶体管的检测

有机晶体管具有优良的生物相容性、读出集成性、大面积覆盖性、功率效率，并且可以很容易地集成到便携式电子设备中。它们作为主要与化学和生物物理(如应变、压力和温度)传感器相关的皮肤生物电子学的首选工具而备受关注。基于有机晶体管的传感器的一个明显优势是其灵敏度高于基于两端的传感器，因为它们的信号放大和可控性是通过调节栅极电压获得的。广泛的共轭小分子、聚合物和室温液晶已被用作软有机晶体管设备中的有源沟道半导体。

对于化学传感，有两种类型的晶体管传感器:有机场效应晶体管和有机电化学晶体管。通常，OFETs包括三个电极、半导体层和栅极电介质层。半导体层通常暴露于感兴趣的分析物，既作为电子传输材料又作为化学传感层。对于OECTs，采用电解质代替介电层，介电层夹在栅电极和活性半导体层之间。在暴露于分析物的情况下，栅极/电解质或电解质/通道界面会发生电位变化。虽然工作机制不同，但这些晶体管可以通过类似的设备工程与目标分析物相互作用，从而实现不同的生物传感器。在物理传感领域，有机晶体管已用于处理压力映射的矩阵读数。创新印刷方法，如喷墨、反向胶印、卷对卷凹版胶印、丝网印刷和分散印刷。 最终导致基于有机晶体管的传感器阵列的制造，用于广泛的生物医学应用。基于晶体管的生物物理传感器比电阻型和电容型设备具有更高的灵敏度，因为它们能够通过控制栅极电压来改变通道材料的电导率。这些特性使得基于晶体管的传感器成为高级皮肤生物电子学的有吸引力的候选者。

2.2.2 多模式传感

对于长期和连续的健康监测，单个传感器监测系统既不实用也不符合人体工程学。实现健康监测更高的目标，更多的传感功能是必要的。多模式传感器有望集成到一个皮肤设备中，这样一个设备就可以检测和量化多种外部刺激，并提供多种生物信号的综合分析，以对个人的健康状况做出准确的评估。例如，将光电容积描记图(PPG)传感器与ECG传感器结合使用，可以提供比单个设备更可靠的疾病诊断和健康监测能力。多模式传感器可以通过组装具有各种功能的传感器来实现，这可以简化传感器的集成并使它们的体积小型化。已经报道了大量的可以在单个设备中检测多种生命体征的多传感器系统。柔性电子领域的大量研究人员已经报道了同时检测两种或多种不同的生物信号，例如温度和压力，压力和生物化学信号，以及生物化学、电生理学和皮肤温度。

此外，新型传感材料、制造策略和创新电子结构的快速发展不仅支持多模式传感器多功能集成的逐步发展，还允许实现具有自我修复、可视化、诊断和治疗以及自供电等有前途功能的传感器平台。

3 走向长期、持续的健康监测

为了实现长期、连续的健康监测，通常情况下，在收集生物信息时，皮肤生物电子学应在机械和生物方面与人体兼容。为了通过长期、连续的健康监测实现个性化医疗护理，还应考虑其他问题，如电源和通信技术。在本节中，我们将讨论材料和结构选择、机械强度以及皮肤生物电子的无线监测，以实现长期、连续的健康监测。给出了有代表性的实例，重点讨论和比较了各种材料和设计的性能。

3.1 材料和结构选择

从材料和结构的角度来看，本节回顾和讨论了最近在四个方面的研究成果：超薄材料和器件，生物相容性，透气性和防水性。

3.1.1 超薄材料和器件

为了满足机械顺应性，皮肤生物电子器件通常被制成超薄型。抗弯刚度与薄膜对粗糙表面的顺应性高度相关，抗弯刚度定义为D =Et3/12(1-ν2)。这里，E、t和ν分别表示杨氏模量薄膜的模量、厚度和泊松比。因此，由于厚度的立方依赖性，减少厚度是降低抗弯刚度的最有效方法。超薄材料是皮肤生物电子的主要选择。例如，薄聚酰亚胺衬底已被广泛用于构建表皮电子器件。常见的超薄材料是薄聚合物薄膜，如聚对二甲苯、静电纺丝纳米纤维以及由聚合物和金属或碳基纳米材料制成的超薄导电膜。在过去的六年中，我们已经看到了各种超薄贴合皮肤生物电子产品的开发，例如纹身传感器、能量装置、光子皮肤和集成电路。除了薄膜形式，超薄多孔装置也已开发出来，通常还具有气体渗透性的额外优势。这些薄的、多孔的装置可以获得用于高质量健康监测的极好的皮肤适应性。Zhou等人利用呼吸图法开发了一种多孔热塑性聚氨酯(TPU)薄膜。然后，通过浸涂和热压制成高导电的AgNW/TPU复合材料，总厚度为4.6毫米。在人体皮肤上佩戴7天后，没有出现过敏反应和汗液积聚。AgNW/TPU电极的ECG信号信噪比与Ag/AgCl凝胶电极相当。另一个例子是由涂有金层的PU-PDMS纳米网制成的适形应变仪传感器(Fig8a)。纳米网传感器的总厚度约为430±18nm。作者证明了纳米网格应变仪不影响自然皮肤运动，具有纳米网格附着的面表现出与没有传感器的面相似的应变映射(Fig8b,c)。此外，由于其超软纳米网状结构和薄的几何形状，长期佩戴3.5小时不会影响传感器的性能。

3.1.2 传感材料

多种材料已被用作构建皮肤生物电子学的传感材料。代表性的例子可以在Fig4中看到，包括零维(0D)(如富勒烯、量子点、金属纳米颗粒)、一维(1D)、二维(2D)纳米材料、液体材料和聚合物。其中，1D，即CNT和NWs(例如，Cu、Ag、Au和ZnO)是最有前途的传感材料之一，这是由于它们的高导电性、固有柔性和透明性。它们对各种刺激敏感，例如触觉、温度和分子。除了传感器，碳纳米管还被用作软晶体管的活性通道材料。为了降低1D纳米材料之间的接触电阻，已经使用了许多方法，例如烧结、压制、增加加载材料、模板化以及与更软的填料混合。此外，表面改性也被用于增强1D纳米材料网络的接触，从而产生更好的电气性能。

2D纳米材料具有片状或膜状。它们包括石墨烯、二硫化钼、MXene和黑磷。作为一种典型的2D材料，石墨烯可以通过微机械剥离和化学气相沉积(CVD)方法获得。石墨烯是sp2杂化碳的薄膜，即表现出优异的透明度(~97.7%)、高导电/导热率(200000 cm2(V·s)-1和5000 W·m-1·K-1)和生物相容性。它已被广泛用作活性物质用于检测生物物理、电生理和生物化学信号的柔性/可拉伸传感器的材料。MoS2是一种半导体，具有轻薄、卓越的光吸收和压阻特性。是应变传感器、湿度传感器、和非易失性存储器的优良材料， MoS2和石墨烯因为范德华附着力强，可以形成高质量的接触。因此，它们可以作为软电子学和光电子学的有前途的构件被集成导电聚合物由于其优越的电学和力学性能而成为有前途的传感材料。在导电聚合物中存在高度β共轭的聚合物链。通过掺杂，导电聚合物可以是导电的或半导电的，这取决于掺杂剂和掺杂水平。现在有几十种导电聚合物，如聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚苯胺(PANI)、PEDOT:PSS、聚吡咯(PPy)、聚乙炔(PA)和聚噻吩(PTh)。P3HT、PANI、PEDOT:PSS和PPy也被用作FETs中的有源沟道材料。在现有的导电聚合物中，PEDOT:PSS是研究最多的一种，因为它易于制造，具有高导电性和生物相容性。为了实现长期健康监测，在使用导电聚合物时，需要新的材料和制造技术。最近，Chen等人报告了一种无基材的PEDOT:PSS薄膜，作为一种超贴合的电子纹身。在凝胶转化为干燥PEDOT:PSS的过程中，可以调节皮肤附着力。这种电子纹身可以获得比商业银/氯化银电极更高的信号质量。PEDOT:PSS电极可以粘附在人体皮肤上超过10 h而不脱落。

3.1.3 生物相容性

皮肤生物电子设备与人体皮肤直接接触，其中生物相容性是一个需要考虑的关键参数，特别是对于长期应用。大量的努力集中在生物相容性活性材料和生物相容性封装层的开发上。因此，从传感器到能源设备，再到集成电路，已经报告了许多生物相容性皮肤生物电子设备。例如，通过使用生物相容性丝素蛋白(SF)开发了生物复合电极电极可以贴在人体皮肤上，在跑步2h的过程中连续采集可靠的心电信号。这项工作为未来长期健康监测的皮肤生物电子学提供了令人印象深刻的材料解决方案。

为了克服银离子的浸出和氧化问题，在AgNW表面沉积了一层厚的金鞘层，以获得一种生物相容性和高导电性的材料 (最大电导率为72600S·cm-1)(Fig8d,e)。在磷酸盐缓冲盐溶液中储存3周后，Ag–Au纳米复合材料的电导率显示出可忽略的变化。他们通过在PDMS基底上形成图案来制造具有生物相容性纳米复合材料的多功能皮肤装置，并且他们的装置成功地测量了实时电生理信号并递送了电和热刺激(Fig8f)。此外，Bandodkar等人开发了一种由汗液供电的生物相容性电池，然后将该电池应用于为皮肤集成电路供电，以进行持续健康监测。该电池包括皮肤安全电极和隔膜材料，以及作为电解质的汗液。它由混合硅酮和纸基材料组成微流体系统能够快速收集和储存汗液。电气隔离电路实现了对ECG信号的高质量心率测量，其性能符合美国国家标准协会的标准。定量评估生物相容性的一般方法是体外细胞活力测定，即细胞水平的生物相容性。一种体内测量方法是将样品附着在动物组织或人类皮肤上，并研究炎症、纤维化反应或刺激的存在透气性。

3.1.4 透气性

尽管许多当前的皮肤生物电子器件基于低渗透性薄膜型外形，健康微环境允许人体皮肤“呼吸”，即空气、水蒸气和液体具有充足的渗透性。为了实现长期健康监测的全部潜力， 透气性是皮肤生物电子学的关键目标之一。透气电子器件还能改善皮肤电子器件的生物相容性，因为它们不会引起炎症，而且具有透气性。静电纺纳米纤维是透气电子器件最常用的材料之一，因为它们具有多孔结构、多样的配置和优异的机械性能。一个典型的例子是使用无基底纳米网装置。简单地在可溶性PVA静电纺纳米纤维垫上蒸发层金，就能使薄金层粘合到水雾处理后的人体皮肤上。在贴附纳米网皮肤贴片7天之后，没有负面反馈报告，这为连续、长期的健康监测提供了可能性。后来，该团队利用纳米网格系统开发了几种可呼吸皮肤装置，包括电传感器、应变仪、水合传感器和机械声学传感器。采用全纳米纤维装置设计，可连续监测10小时的机械声学心脏信号。最近，Ma等人高度开发了由液态金属纤维垫制成的可拉伸、可渗透的整体式皮肤生物电子器件。该垫片在体内和体外试验中均表现出优异的生物相容性，并表现出超过1800%应变的拉伸性。佩戴一周没有引起任何不适。作者成功演示了ECG和汗液传感器以及皮肤加热器的可靠操作(Fig9a–d)。

超薄膜电子设备也可以实现透气性。例如，采用吹泡法制造90nm厚的热塑性弹性体，然后通过将纳米膜与纳米线集成在一起获得透气电极。干电极的总厚度为160nm。干电极可以经受5小时的佩戴，而不会对受试者造成任何不适。使用有效的浸涂方法构建了另一种95nm厚的PDMS纳米膜。通过在纳米薄膜顶部沉积金层，获得了透气的干电极，并自粘在人体皮肤上，用于一周的高保真心电图监测。与薄膜型、封装良好的皮肤装置相比，由于封装困难，透气电子设备可能会出现较差的信噪比和/或较弱的稳定性，尤其是基于泡沫的透气电子设备。应开发新型材料和制造技术来解决这些问题。为了定量评估透气性，水蒸气透过率已被广泛使用。在本实验中，玻璃瓶(装有一定量的水)与测试样品密封在一起，并置于恒温室中一段时间，不受干扰。瓶子的重量将被定期测量。一些研究人员还利用商业工具来评估空气/水渗透率。

3.1.5 防水性

在长期使用过程中，特别是在大量出汗的体育运动中或在水生环境中，皮肤生物电子设备可能会老化，甚至出现故障。可能的原因是设备从皮肤上脱落或分析物污染，因此，非常需要开发在各种水合条件下(例如出汗、下雨、游泳和淋浴)防水或可清洗的皮肤生物电子器件。新型材料和结构工程已被用于开发能够在水合环境中保持高粘附性和耐水性的皮肤生物电子器件。借助电纺多孔材料，研究人员通过引入疏水材料实现了透气和防水的皮肤生物电子学。此外，纤维垫的特殊设计可以引导汗液传输的方向，从而保持皮肤附着设备的电气性能。

除了多孔材料之外，薄膜型电子器件还具有Reeder等人开发了防水、表皮、微流体和电子系统，这些系统附着在人体皮肤上，用于汗液收集、生物标记分析和温度记录，甚至在水生环境中也是如此。他们选择了具有超低水/化学渗透率的聚合物材料，并特别设计了微流体通道的入口和出口，以防止水生环境中的污染，同时不妨碍汗水的流入。开发的系统可以结合到人体皮肤上，并通过水下汗液收集和皮肤温度记录，在受控的室内条件下和开放海水中游泳的剧烈体育活动中执行关键的水合映射，以实现体育和健身领域的个性化水合策略(Fig9e–g)。因为一些能源发电机，如生物燃料电池(BFCs)、摩擦电纳米发电机(TENGs)和压电纳米发电机(PENGs)的性能会受到汗液引起的湿度的影响，额外的封装可能会解决这个问题，但会导致设备厚度增加。Zhou等人利用生物机械能源研制了一种防水磁致弹性发电机。磁致弹性发电机在没有封装的情况下完全防水，因为磁场可以穿过水而强度损失可以忽略不计。集成系统可以在大量出汗的情况下连续测量心血管健康。

3.2 设备属性

人类皮肤处于时间动态运动中，这要求皮肤生物电子能够经受住重复的弯曲、拉伸、压缩、扭曲等。换句话说，皮肤生物电子器件应该是薄的、重量轻的，并且具有坚固的皮肤粘附性、良好的柔性和拉伸性以及机械耐久性，以确保在长期、连续的健康监测期间的稳定功能。在下面的部分中，我们将详细讨论皮肤粘附性、柔韧性/伸展性和机械耐久性。

3.2.1 皮肤粘连

值得一提的是，“超薄材料和装置”小节中讨论的皮肤生物电子学由于其足够薄和超柔韧性，可通过纯范德华力粘附到人体皮肤上。无凝胶自粘附性的一个明显优势是，生物装置无需更多外力或外力就可粘附到人体皮肤上粘性材料是一种负担，并且限制了个体的移动性。作为一个代表性的例子，Nawrocki等人报道了一种300nm以下的干薄膜电传感器，其可以自粘在人体皮肤上，而无需任何额外的粘合剂。干电极可以附着在人体皮肤上，监测ECG和EMG信号长达10小时，信号质量可与粘性Ag/AgCl凝胶电极相媲美。一般来说，如果设备厚度极低，软电子设备容易受到严重的机械破坏。

对于长期健康监测，考虑到一致和动态的皮肤运动，设备的良好机械耐久性非常重要。因此，应该使用先进的材料和创新的结构设计来克服机械耐久性和几何薄度之间的权衡。借助纳米纤维增强材料，Wang等人开发出了厚度为165nm的坚固自粘性干电极。增强的纳米薄膜展示了产生了令人印象深刻的159 μJ·cm-2的高面积粘附能。所制备的金PDMS增强纳米膜电极可以自粘在人体皮肤上一周，用于高质量的心电图监测。值得一提的是，直接穿在皮肤上的电子设备还可以实现与人体皮肤的超贴合性，以进行长期健康监测。除了超薄设备的自粘性，对于厚度约为或超过几十微米的设备，有几种策略可以实现长期干燥皮肤粘合。一种是在生物相容性弹性体(如Ecoflex和PDMS)上设计粘合结构(如微针、微孔、蘑菇形和3D吸盘)。另一种策略是修改生物相容性聚合物。 例如，通过用乙氧基化聚乙烯亚胺(PEIE)对PDMS进行改性，实现了粘性ECG传感器。通过向含有3wt% PEIE的PDMS中添加10wt%的导电CNT，作者可以实现非常好地粘附在人体皮肤上的ECG传感器。 该装置在人体皮肤上进行100次循环粘附和附着循环后仍保持其功能。此外，显示出30小时的皮肤附着不会引起受试者的任何不适。这些结果表明，这种材料具有长期健康监测的巨大潜力。Zhang等通过将D-山梨醇添加到PEDOT:PSS、水性聚氨酯(WPU)的混合物中开发了自粘干电极(Fig10a,b)。这种干电极(厚度：420 mm)实现了高达0.41N·cm-1的皮肤粘附力，从而实现了连续的高性能ECG信号监护仪16小时，长期监测1个月(Fig10c)。

3.2.2 灵活性/可拉伸性

机械灵活性/可拉伸性是决定用户舒适度和设备便携性的关键因素，在开发具有此类功能的皮肤生物电子产品方面，已吸引了全世界的极大关注。良好的机械灵活性/可拉伸性可实现与曲线、动态人体皮肤的保形接触，并使急性健康测量成为可能。根据设备放置和目标应用，拉伸能力在平滑皮肤上应超过10%的应变，在全身运动中应接近60%的应变。在过去的六年里，新型材料、结构工程和制造技术的逐步发展已经导致了皮肤生物电子学中机械柔性/拉伸性的巨大进步。

有两种广为人知且广泛使用的策略来获得健康监测目标应用所需的机械柔性/可拉伸性：固有可拉伸材料和结构设计。除了柔性/可拉伸弹性体基材，流行的固有可拉伸活性材料包括金属/碳基材料、导电聚合物、有机半导体聚合物和纳米复合材料。用这些材料可以开发内在可拉伸的皮肤生物电子学。一个典型的例子是具有每平方厘米347个晶体管的高器件密度的固有可拉伸聚合物晶体管阵列。该晶体管由CNT基电极、作为电介质的交联SEBS和半导体“共轭聚合物/弹性体相分离诱导弹性”(CONPHINE)膜制成。该阵列可以平行和垂直拉伸至电荷传输方向的100%应变，而没有裂纹、分层或褶皱。为了实现刚性材料的可拉伸性，可利用适当的几何设计来获得可拉伸结构，如网状、岛状桥、kirigami、蛇形以及平面内/平面外带扣。此外，许多研究人员还开发了具有组合策略的高性能机械柔性/可拉伸性。例如，Wang等人开发了一种高度可拉伸的透明电极结合了柔性垂直排列的纳米线和多孔可拉伸的纳米网结构。该电极具有低至1.7±0.8Ω每平方的薄层电阻，并且可以以超过100%的应变拉伸。除了机械柔性和拉伸性之外，同时实现几何薄度对于皮肤生物电子学来说也是非常有趣的。Jung等人报告了一种用于多功能皮肤电子学的高弹性纳米薄膜(Fig10e)。密集排列的AgNWs具有540%应变的高导电性和拉伸性，这几乎是裸弹性体(570%)的极限(Fig10f)。使用光图案化纳米膜制造多模态传感器阵列，其中传感器通过垂直互连通路连接。开发的阵列可以同时测量温度、应变、湿度和电生理信号(Fig10g)。

3.2.3 机械耐久性

机械耐久性发挥着重要作用皮肤生物电子学在长期连续健康监测的寿命中的关键作用。为了能够长期应用，皮肤接口设备应该在反复的皮肤变形下保持其电气功能。这需要两个“软-硬”界面的机械强度：(1)皮肤生物电子学中的刚性功能材料和柔软的弹性体基底，以及(2)刚性生物电子设备和柔软的生物皮肤。采用了诸如附加中间层、表面处理、热压、冷焊、强化、渗透、混合和封装等策略来提高刚-柔界面结合力，从而提高器件的耐用性。通常，通过这些制造技术，可以获得功能表面复合材料或均匀复合材料。评估皮肤生物电子学机械耐久性的一种直接方法是通过循环压力加载和卸载、拉伸和释放、连接和分离进行疲劳测试。通过将还原氧化石墨烯(rGO)/去离子水液体传感元件嵌入Ecoflex橡胶中，制造了一种高度耐用的物理传感器。在应变或压力下，液体中纳米泡沫的接触变化会导致电阻变化。该传感器在25 kPa下的15000次加载和卸载循环以及40%应变下的10000次拉伸和释放循环中表现出稳定的电响应。

除了对皮肤装置本身的机械耐久性进行疲劳评估之外，体内评估也被用于长期健康监测。这可以通过测量皮肤上的装置性能或在反复皮肤变形下观察装置形态来实现。例如，为了评估纳米网装置的机械耐久性，作者将该装置戴在手指上，测量了10000次夹紧循环下的电阻。由于纳米网具有良好的机械耐久性，因此该传感器还能承受塑料笔以150kPa的压力摩擦20次。作为另一个例子，将基于纳米网格的应变仪层压在人体手腕上，并在手弯曲和放松运动的10000个循环中进行监测。在附着在人体皮肤上3.5小时后，这些装置保持其功能。

3.2.4 长期稳定

对于持续的健康监测，皮肤电子设备的长期稳定性非常重要。长期稳定性需要多方面的特性，包括皮肤适应性、透气/透水性、环境稳定性、电气-机械稳定性等。正在努力开发稳定的材料和制造方法，以适应按需、连续的健康监测和诊断。长时间在多汗环境中的高适应性和粘附性对于长期监测是重要的。并且设备的功能不应该随着时间而迅速退化，并且不应该产生噪声。实现长期稳定测量的一个策略是创建长期稳定的电极，这允许自由连接测量电路。Yang等人报告了一种基于SF的生物复合材料保形和粘合聚合物电极，通过和SF凝胶结合，实现了对移动电生理信号的长期监测。所报告的电极在2小时的连续ECG信号监测中表现出卓越的稳定性和灵敏度。Jeong等人报告了一种用于电生理监测的高度一致且可重复使用的电容式表皮电子系统。这也是制造长期稳定电极的策略。实现长期稳定性的另一个策略是直接制造具有一致性和稳定性的电子皮肤。Patel等人报告了一种完全生物相容且高度导电的复合墨水，该墨水基于皮肤绘制(DoS)传感器平台。这种墨水可以用改良的圆珠笔直接涂在人的皮肤上。用这种墨水绘制的传感电路可以用来捕捉关键的电生理信号，如EEG、EMG、ECG等。具有高信号质量。通过将DoS电生理传感器绘制在前额上以记录EEG来制造原位制造的传感器，并且在3天的测试中的每一天获得高信噪比的EEG信号。在3天的时间里，传感器没有移位或出现故障，证明了该传感器对于长期监测的稳健性。

通过将设备包装在硅胶外壳(如Ecoflex)中，使其与皮肤分离，是实现长期稳定性的另一种策略。只要液体不会随着时间的推移从包装中泄漏或蒸发，或者其性能随着时间的推移而下降，就可以实现稳定的连续监测。Wang等人报道了一种像橡皮筋一样的可拉伸应变传感器，通过用离子液体填充和密封Ecoflex，其具有优异的稳定性和耐用性。由于Ecoflex的防水特性，该传感器在汗水中是稳定的。在6个月的室内存放后，传感器的电气性能基本保持不变。

具有自愈能力的皮肤生物电子器件是实现长期稳定性的另一种方法。Jin等人报告了一种具有内在可拉伸性和自愈性的半导体薄膜，可用于压力和应变监控。这种易碎的半导体薄膜经久耐用且具有自愈能力，因为薄膜中的动态金属-配体配位键可在断裂后自行重建。在室温下，切割膜的疤痕在24小时内完全消失。此外，这种半导体薄膜的电性能在15小时的工作期间不受影响，即使浸泡在汗水中也是如此。

3.3 无线技术

为了实现长期、连续的健康监测，皮肤生物电子系统迫切需要无线通信来将数据传输给佩戴者和远程服务器，甚至需要可持续的电源。因为有线连接限制了用户的移动性，并且可能经历频繁的失败连接，所以它们对于长期健康监测来说不是优选的。因此，无线技术可以作为数据通信最可行、最可靠的替代方案。

3.3.1 皮肤生物电子通信技术系统

人们一直在努力将无线技术与皮肤生物电子技术相结合。流行的商用无线技术包括蓝牙、蓝牙低能耗(BLE)、ZigBee、红外数据协会(IrDA)、超宽带(UWB)、射频识别(RFID)、近场通信(NFC)和无线保真(WiFi)。每种无线技术都有不同的调制方式、数据速率、功耗、距离范围和安全性。无线模块的选择取决于目标应用的具体要求。其中，NFC和BLE由于其优点而成为皮肤生物电子长期监测系统中短距离通信的热门候选。

一般来说，有两种方法可以将无线系统与皮肤传感器连接起来：一种是使用小型化的IC芯片设计紧凑的皮肤电路，另一种是使用导线将皮肤设备与固定在衣服上的IC芯片连接起来。第一种方法应该考虑皮肤上的局部机械约束，而第二种方法需要人的参与。为了消除刚性组件和人体之间的所有直接接触，Niu等人开发了一种专门设计的RFID系统，其中由无芯片和无电池可拉伸皮肤传感器标签组成的身体区域传感器网络(bodyNET)无线连接到纺织品上的柔性硅读出电路。bodyNET系统具有多个传感器节点，位于人体的多个位置，以收集各种生物信号。一个节点由可拉伸的皮肤传感器(目标)和织物上的柔性读出电路(启动器)组成，它们通过RFID无线连接(Fig11a)。皮肤传感器由可拉伸感应器、可拉伸电容器和电阻应变传感器组成，启动器由天线信号读出电路和柔性电池组成。开发的系统消除了皮肤上的刚性电子部件，从而提高了佩戴舒适性和机械强度。作者成功演示了对呼吸、脉率和身体运动的连续免提监测，以及1小时的长期睡眠监测(Fig11b–d)。另一项利用无线供电和通信的工作是通过柔性印刷电路板(PCB)上的环形天线实现的，该天线被粘合到皮肤传感器的背面。

在远程通信阶段，数据被传输到远程服务器，护理人员可以访问这些数据，以进行个性化的医疗保健管理。在这种情况下，必须认真考虑个人医疗信息的保护。加密和认证技术等方法可以用来保护相对安全的传输通道。这个问题也可以通过使用软外形来解决。Tian等人使用导电织物将无线通信限制在人体10 cm范围内。这种元织物可以支持无线电通信频率下的表面等离子体模式，使无线信号在人体周围传播时不会受到运动干扰。这项工作为无线传感、信号处理和能量传输的软平台铺平了道路。

3.3.2 自我供电的能力

维持皮肤生物电子系统中多个传感器和无线收发器的稳定运行需要几微/毫瓦的功率。然而，目前可穿戴设备的主流电源是电池，这种电池是刚性的，存在爆炸问题，需要定期充电或更换。因此，非常需要开发柔软、合规和可持续的电源系统。此外，自供电能力简化了电路设计，并支持便携式检测。有许多自供电的皮肤传感器和装置从人体和/或周围环境的生物、机械、光或热源中获取能量。仅举几个例子，新兴的类似皮肤的柔软能量装置包括能量产生装置，如太阳能电池、生物燃料电池(BFCs)、摩擦电纳米发电机(TENGs)和压电纳米发电机(PENGs)。 以及超级电容器和电池等储能装置。产生的电能可储存在超级电容器或电池中，以驱动其他电子装置。柔性整流二极管已被开发出来，用于将压电/摩擦电纳米发电机产生的交流(AC)电能整流为直流(DC)电能，以供储能和进一步使用。

一种自供电压电PZT压力传感器能够实现近表面动脉中的桡动脉/颈动脉脉搏信号的体内测量。通过动脉压获得的输出电压成功操作了由放大器、带通滤波器和比较器组成的信号处理电路的LED和扬声器模块，以识别动脉脉搏。这项工作证明了自供电脉搏传感器可用于连续实时健康/健康监测系统。赋予机械力的另一个例子是在微磁体/硅树脂复合材料中使用巨磁致弹性效应。结合由PDMS上的液态金属线圈制成的磁感应层，软磁致弹性复合材料可作为防水磁致弹性发生器，贴合人体皮肤(Fig12a–c)。软磁致弹性发生器的输出电流和电压在浸入人工汗液时可维持长达一周。最近，一个超灵活的集成系统已经开发出来，使用有机光伏(OPV)供电的聚合物发光二极管和OPD。这种系统首次展示了自供电PPG传感器，为未来的移动医疗保健平台铺平了道路(Fig12d–f)。同时，研究人员一直在通过串联或并联模式下不同能源设备的协同作用研究混合能源设备，如太阳能电池、电磁发电机和电化学电池。这些努力将极大地提高能量采集效率，并解决长期医疗保健应用中的皮肤生物电子设备的功率问题。

3.3.3 系统集成

无线集成皮肤生物电子学使长期、连续的健康监测成为可能，并为开发多功能皮肤设备作为个性化医疗保健中的诊断工具提供了机会。一个完整的集成系统由皮肤生物电子学、电源管理、信号采集、处理和传输组成。通常，小型化集成电路(IC)芯片用于电源和数据管理。它们通过直接与皮肤设备集成放置在皮肤上，或者通过与皮肤设备的无线连接放置在纺织品或其他人类物品上。如果将IC芯片放置在皮肤上，集成平台应足够柔软，以实现皮肤顺应性。例如，发明了一种无线软皮电子贴片，用于测量健康和患病皮肤的温度和热传输特性。无线平台是一种紧凑、小型化的皮肤贴片(四分之一大小)，由一个灵活的热致动器/传感器模块和无线平台组成，以提供BLE通信功能。此外，计算方法已经能够使用双层模型对皮肤的水合程度进行评估，具有临床级别的准确性。为了持续监控皮肤假体界面的压力和温度变化，开发了一个完全集成的平台，使用柔软、轻薄、无线、无电池的皮肤传感器和假体插座表面的配对无线模块。插座上的模块能够无线供电并与传感器通信，以及一个可以无线接收数据和显示结果的移动小工具。使用压缩屈曲技术制造3D设计的压力传感器，其中变形将引起应变仪中的电阻变化。该平台可以同时无线监控皮肤-假体界面的压力和温度，即使是在坐着、走路和站立的情况下。

结合机器学习等先进的数据处理技术，集成的皮肤生物电子学可用于疾病管理。最近，Zavanelli等人报告了一种单一的、用户友好的皮肤贴片，用于在家中无线监测睡眠呼吸暂停和睡眠阶段(Fig13a,b)。这项工作通过非侵入性方法为医疗保健人员提供了美国睡眠医学学会(AASM)概述的所有临床相关指标。皮肤贴片由软PPG传感器、ECG传感器、高级信号处理技术和时序机器学习组成(Fig13c)。它还实现了在阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)期间在单个位置同时测量特定的机械、电和光响应。用前馈神经网络(FFNN)分析这些信号，以将睡眠分类为觉醒、快速动眼期(REM)和非REM (NREM)睡眠阶段(Fig13d)。这项研究涉及9名患者，其中4名在重复评估后出现呼吸暂停症状。此外，在与LED集成之后元素，一个集成的皮肤上的平台可以实现对人体皮肤上实时健康信号的可视化。

4 医疗保健应用

人体健康可以通过不断从人体辐射的各种高度个性化的电、机械、热和生物化学信号来表征。如今，皮肤生物电子可以针对上述特定生物信号进行设计。因此，长期、持续使用非侵入性皮肤生物电子技术对于评估个人健康和早期预测身体器官(如心脏和肺)的功能障碍具有巨大的帮助，从而进行及时有效的治疗。

4.1 电生理信号

作为生命体征之一，长期、连续监测的电生理信号可以提供个体健康状况的关键临床线索。在本节中，我们将讨论典型的电生理信号，如使用皮肤生物电子学的ECG、EMG和EEG。

4.1.1 ECG心电图

心电图是一种诊断工具，可以捕捉电信号并揭示心脏的跳动过程。长期、连续的心电图监测可以促进心血管疾病的早期诊断，并确保及时的疾病管理。因此，人们开发了许多用于持续心脏健康监测的皮肤ECG传感器。与凝胶电极相比，干电极被认为是更适合长期应用的候选电极。更薄的器件可以获得更好的适应性、更低的接触阻抗，因此信噪比更大。使用自相似蛇形结构的Au/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/PI制造了~3μm厚的ECG传感器。该传感器可以承受大的、重复的皮肤变形。当电极层压在左胸上时，显示了连续48小时的心电图记录。Ameri等人开发了一种厚度仅为~460nm的石墨烯纹身传感器。电子纹身的透明度为~85%，可以拉伸到40%以上的应变。由于超薄，石墨烯纹身仅通过范德华力就可以粘附在人体皮肤上几个小时。开放式网状结构也使传感器具有透气性和超柔性。石墨烯纹身记录的心电图信号具有与金标准商业凝胶电极相当的信噪比。纳米厚的纳米薄膜电极被证明可维持一周的皮肤附着，用于长期心电图监测。纳米薄膜基底由PU纳米纤维强化PDMS制成，大大提高了机械耐久性。将70nm厚的Au层蒸发到PDMS膜上以获得自粘性干电极。薄的几何形状导致足够的透气性。纳米膜电极在一周的ECG监测中实现了高SNR (34dB)。受章鱼启发的微型泡泡糖电极已被开发出来，可实现干皮肤和湿皮肤的粘附，展示了其在长期健康监测方面的应用前景。

在全面的健康评估中，ECG信号是需要测量的关键生物信号之一。例如，在妊娠监护中，Ryu等人开发了一种时间同步的无线平台，可应用于产前和产后护理的整个连续过程。该系统能够持续监控一系列生物信号，如心电图、呼吸频率、脉搏氧合和血压。

4.1.2 EMG肌电图

EMG是由骨骼肌诱发的电信号记录，可用于评估神经肌肉功能，尤其适用于中风或帕金森病患者。此外，EMG信号可用于分析人体工程学、运动科学、运动障碍的物理治疗或康复环境，或用作电刺激器。对于皮肤生物电子学，表面EMG通过表皮非侵入性测量，这严重依赖于目标肌肉上的皮肤表面。在这种情况下，为了避免不相关的生物电位信号引起的运动伪影，正确放置器件至关重要。通常，电传感器附着在面部、手臂和腿部的肌肉上，以获得相关的肌电信号。Shahandashti等人报告了具有长期健康监测能力的图案化金/铜/PI/PDMS EMG电极。电极的接触阻抗与湿Ag/AgCl电极的接触阻抗相当，前臂EMG信号的信噪比为55 dB。使用印刷石墨烯/PI/Ecoflex电极和电路制备无线EM感测系统。受试者在大腿上佩戴该设备，并测量肌肉弯曲时的EMG信号。软电极在多次使用(>10次)后仍保持稳定的附着性能和肌电信号。在与深度学习算法集成后，该设备可以区分六种肌肉活动，准确率>97%。将SEBS纳米薄膜与AgNWs整合，以获得可透气的表皮EMG电极。纳米薄膜的厚度为90nm，实现了厚度为160nm的超薄纳米薄膜电极。得到的干电极粘附在人体皮肤上5小时，不会引起皮肤过敏或损伤。用石墨烯/PEDOT:PSS制备了一种可贴合的超薄电极(~100nm厚)。五对电极附着在人的面部肌肉上，测量的EMG信号具有20 dB的SNR值。这些EMG信号随后被用于精确控制机械手。

4.1.3 EEG脑电图

脑相关疾病，如癫痫发作、中风和神经肌肉疾病，可通过EEG监测进行诊断，因为EEG是脑活动相关电位的记录，可提供神经元活动的重要信息。考虑到其具有高时间分辨率、便携性和相对较低成本的无创脑电活动监测，脑电图在临床设置和脑机接口研究领域一直很有帮助。与ECG和EMG等其他电生物信号相比， EEG信号相对较弱，具有典型的微伏级振幅，主要频率范围为0.3至30 Hz以上，这使得实现EEG的高效记录更具挑战性。电极和皮肤表面之间的保形接触对于连续稳定地监测具有高SNR值的电生理信号非常重要，因为它可以提供亲密的电极-皮肤界面。 根据电极-皮肤界面的状态，用于脑电图记录的电极一般可分为三种不同类型:湿电极、半干电极和干电极。

与湿电极和半干电极相比，不需要导电凝胶或电解液的干电极显示出一些有利的优点，例如改进的用户友好性和节省时间的便携式EEG记录的前期准备设置。具有各种形态的干电极，例如皮肤共形电极，超薄电子纹身，柔性海绵电极，弹性毛发电极，微柱结构电极和微针电极，已经为用户设计和开发至于皮肤共形和超薄纹身电极，它们仅适用于无毛皮肤表面，如外耳位置、前额区域和剃光的头皮。值得注意的是，需要每天使用一次或两次喷雾绷带薄层，以促进超薄电极平台与皮肤的牢固粘附，并为长期使用提供环境保护。为了收集头皮EEG信号，需要剃光头发，以便在头皮上共形安装表皮电极。Fig14a显示了可呼吸的大面积表皮电极在全头皮和长期EEG记录中的应用。由于它们的薄度和柔软度，大面积表皮金属网电极与导电聚丙烯酸酯凝胶的附加薄层结合以进一步降低界面阻抗，可以被一致地安装在没有头发的头皮上，以记录具有全头皮覆盖的EEG信号(Fig14b,c)。这些表皮电极具有长期脑电图记录的潜力，正如在连续佩戴电极的五天内高效捕获听觉异常任务期间P3事件相关电位分布 (Fig14d)。

为了从多毛的头皮上捕获EEG信号，有必要设计具有特殊结构的干电极，使电极绕过头发，与头皮良好接触，例如弹性体腿结构、弹性海绵结构、微柱结构和微针结构。对于这种类型的干电极，需要外部机械固定装置和力来确保电极与多毛的头皮接触。如Fig14e所示，开发了一种干头发电极，该电极具有与可拉伸的皮肤状电极相结合的导电弹性体腿，以及柔性小型化无线电子电路，并用作用于EEG记录的完全便携式无线头皮电子设备。由于头发电极导电腿的弹性，施加在头发电极上的轻微压力允许导电腿分离头发并与头皮形成良好接触，因此使用织物头带来固定头发电极并对其施加压力(Fig14f)。这种无线头皮电子系统被证明对于基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口(BMIs)是可行的(Fig14f)。具体而言，当受试者凝视不同的发光二极管刺激时，头皮电子设备用于记录SSVEP数据，当受试者闭上眼睛时，记录EEG alpha节律，然后利用这些数据无线控制目标机器，例如无线电动轮椅(Fig14g)。尽管干电极具有改进的用户友好性和长期EEG记录潜力，但是它们仍然具有一些局限性，例如相对较高的电极-头皮阻抗、较差的信号质量和易受运动伪影的影响。对于各种场景中的实际EEG应用，开发具有低电极-头皮接触阻抗和长期稳定接口的可靠且用户友好的EEG电极仍然是非常期望的和具有挑战性的。

4.2 生物物理信号

皮肤生物电子学可以测量不同的生物物理信号，如温度、张力、压力、触觉和声音。如果以长期、连续的方式测量，这些信号提供关于个人健康状况以及疾病预防、诊断和治疗、物理治疗和康复的有效线索。在接下来的部分，我们将介绍典型生物物理信号的测量，如体温、人体活动和心脏标测。

4.2.1 体温

生理温度是一个随时间和空间变化的重要生物信号。偏离核心体温几度就可能导致人体损伤和死亡。例如，温度变化与失眠、睡眠质量、中风、皮肤病和认知功能有显著相关性。尽管存在较大变形，但连续测量局部体温对于理解内稳态的热学原理和评估复杂的健康状况至关重要。为此，已报道了用于连续温度传感的各种皮肤装置。

典型的皮肤温度传感器是热敏导电复合材料和导体，而其他传感器包括热电偶、半导体和场效应晶体管。使用激光诱导还原烧结方案构建了基于负温度系数 (NTC)热敏电阻的人造皮肤。温度传感器由镍电极和氧化镍传感通道制成。由于PET衬底薄，该器件表现出小于50ms的快速响应时间。在室温附近，热敏电阻的材料常数高达8162K。该传感器足够灵敏，可以捕捉到由吸气和呼气引起的微小温度变化。有必要在长期应用期间保持皮肤上温度传感器的稳定感测性能。通过结构设计还原氧化石墨烯/PU复合材料的蛇形结构自立可拉伸纤维，开发了应变不敏感温度传感器。在0–50%的应变范围内，温度变化可以忽略不计。该装置还经受住了10000次在50%应变下拉伸和释放的循环。在集成到绷带上之后，温度传感器具有0.1℃的最大感测分辨率。将绷带贴在人体皮肤上后，即使在各种身体运动过程中，也能实现稳定的体内温度感应。为了最大限度地减少湿度干扰，Wang等人在PEDOT:PSS中引入了(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GOPS)交联剂。全印刷温度传感器在30–80% RH的环境湿度范围内表现出极大的稳定性，在25–50℃之间的温度灵敏度为–0.77% ℃-1。作者最终展示了无线，与印刷柔性混合电路集成后的实时、连续温度感测。对于体温监测，需要34至42℃范围内的高温电阻系数(TCR)。

4.2.2 人类活动

人体运动和移动监控可用于康复、运动、疾病预防和诊断、患者预后监控和老年人护理。任何不规则甚至习惯性运动都可以提供与人体健康相关的重要信息。例如，身体运动的周期性分析可以检测异常步态模式和突然手抖，这些是致命疾病(包括帕金森氏病、阿尔茨海默氏病和糖尿病)的前兆，并有助于这些疾病的早期管理。为了监控人类活动，物理皮肤传感器符合例如人类面部、颈部、手部、关节和足部，并提供由人类运动引起的长期、连续的信号记录。迄今为止，已经开发了许多皮肤设备来检测从由腕部脉冲引起的细微皮肤变形到大范围的活动。

人脸上的运动与面部表情高度相关。Wang等人报告了一种由垂直排列的AuNWs制成的智能面膜。皮肤贴片是通过在Ecolfex基底上直接生长AuNWs制成的。由于金纳米线的Jannus结构及其对基底的良好粘附性，金膜可以拉伸到800%的应变。每个传感器在面部的位置由以下因素决定与面部表情相关的指定肌肉群。使用面部动作编码系统(FACS)库，可以通过无线方式从移动屏幕上实时读出五种不同的面部表情。借助算法和三维数字图像相关系统，Sun等人报告称，他们开发的压电薄膜可以区分健康人和肌萎缩侧索硬化症患者的面部运动。

作为人体最活跃的部分，手和四肢的运动已经得到了广泛的研究。与机器学习技术一起，Jeong等人开发了一个皮肤集成传感器网络，用于早期识别非典型婴儿运动行为。几个传感器被战略性地放置在婴儿的不同部位，用于全身运动测量，并以宽带宽和时间同步的方式运行(Fig15a)。然后，收集的数据被用于以可被护理人员访问的化身形式重建三维运动(Fig15b)。作者成功地证明了分娩后长达3个月的长期随访监测(Fig15c)。所报道的策略显示了在婴儿期的最早时间诊断神经功能障碍和启动临床干预的巨大潜力。

为了监测细微的皮肤变形，高灵敏度是不够的。这些设备还应该设计得柔软而薄，以最小化由设备本身引起的任何干扰。为了避免对自然皮肤的感觉或运动干扰，我们小组开发了基于超软纳米网格的应变压力计和压力传感器。压力传感器通过将四层不同的纳米网(两个电极、一个中间层和一个封装层)层压到人体皮肤上而制成(Fig15d,e)。该设备的总厚度约为13μm。为了定量评估传感器对人类感觉的影响，在操纵物体时测量并比较了握力。结果显示附着传感器的手指具有与基本手指相当的抓握力(Fig15f)。附着聚合物膜(2μm厚)的手指导致握力增加14%。

4.3 生化信号

来自人体的分子数据是人类健康的重要和直接的指标。传统的临床实践总是涉及具有疼痛和感染风险的侵入性血液回收，例如在糖尿病患者的葡萄糖监测中刺破手指。柔软的皮肤生物电子设备受到了极大的关注，因为它们提供了一种非侵入性的、连续的方法，用于从体液(如汗液、血液和皮肤挥发性组学)中对疾病相关的化学生物标志物进行无标记测量。

4.3.1 出汗

汗水可以很容易地获得分布在人体各处。它含有丰富的化学成分，如代谢物(如葡萄糖、乳酸盐和尿酸)、电解质(如钠、钾、钙和氯化物)、外源物质(如药物和乙醇)、蛋白质和激素，这使得汗液成为生物医学传感的理想体液之一。异常健康状态和疾病可能导致汗液中现有成分的浓度变化或新化学物质的生成。近年来，已开发出许多皮肤界面比色、电化学和微流体装置，用于健康管理和临床诊断的连续汗液监测。为了收集小汗液，简单和直接的刺激包括强烈的身体活动、热暴露、毛细作用和局部化学诱导。在汗液中存在的所有化学成分中，大多数研究都集中在氯化物、乳酸盐和葡萄糖的分析上。

汗液中异常高的氯化物浓度已被作为囊性纤维化诊断的金标准。一种新生儿安全的粘性微流体装置被开发用于非侵入性监测不同年龄的汗液氯化物浓度。微流体汗液贴可以简单快速地收集汗液，用于囊性纤维化的诊断和管理。在这项研究中，通过毛果芸香碱离子电渗疗法刺激皮肤，从而实现汗液收集。使用PDMS制造微通道结构；汗水将从激光图案化的开口进入入口(面向皮肤的一侧)。每个小室可以收集47毫升的总体积。添加图案粘合剂以优化汗液收集。含有试剂氯冉酸银的氯化物阵列产生与氯化物浓度成比例的颜色响应。使用实时图像分析可以读出结果。该设备能够以与当前设备平台相当的准确度验证囊性纤维化患者。

在区域和之间建立可靠的关系全身汗液监测是为汗液分析的生理相关性提供新见解的关键一步。最近，Baker等人开发了一种用于测量出汗率和氯化物浓度的微流体装置。值得一提的是，微流体平台可以在明确定义的皮肤区域实时精确采集、存储和测量。复杂的微通道是由激光和模切技术产生的薄膜聚合物叠层制成的。即使在大量汗液排泄的情况下，微流体装置也能很好地适应人体皮肤。他们利用比色传感来评估局部出汗率和氯化物浓度。最后，通过算法和对312名运动员的系统研究，获得了全身出汗率和汗液氯化物。

4.3.2 血液

血液在运输营养物质和氧气等必需物质、运输代谢废物以及维持人体细胞的物理和化学平衡方面起着至关重要的作用。因此，血液是临床诊断和健康监测中的一个重要参数。早期的血液检测设备通常需要在体内植入传感器或进行侵入性抽血，这对于持续的健康监测非常不利。动脉血氧饱和度(SaO2)信号是人体生命状态的重要指标。此外，其他症状或身体状况，如急性和慢性呼吸系统疾病，也与SaO2值有潜在关系。因为SaO2测量需要有创抽血，外周血氧饱和度(SpO2)信号成为脉搏血氧仪使用光学方法以无创和连续的方式估计血氧饱和度的有效和普遍参数。因为血管中的氧合血红蛋白(HbO2)和非氧合血红蛋白(Hb)对特定波长的光具有不同的吸收率。通常，在脉搏血氧仪中应用具有不同波长的两个光源来分别检测HbO2和Hb。光学特性的变化随后被光电检测器转换为电信号。在皮肤集成式有机脉搏血氧仪(OPOs)领域，基于光电方法使用OLEDs和opds对SpO2进行了广泛的研究，光电方法主要包括透射和反射模式。然而，透射PPG要求工作位置仅限于身体的薄部位，这限制了连续监测的可行性。另一方面，具有反射配置的OPO可应用于人体的各种脉动表面，从而能够将光源和检测器放置在同一平面上。如图16所示，开发了一种反射式SpO2 OPO传感器。通过并排放置圆形红色和绿色OLED以分别估计HbO2和Hb，并将OLED以数字“8”的形状缠绕在单个OPD周围，这将浪费光的机会降至最低(Fig16a)。因此，OPD可以在不同方向上获得并耦合几乎所有从OLEDs产生的光。在所有测试的身体部位中，OPO获得了可靠的心率和SpO2信号，红光的功耗为17mW，绿光的功耗为31mW(Fig16b)。这种低功耗且与位置无关的皮肤上装置已被证明是长期连续血液SpO2监测的理想选择。

4.3.3 皮肤挥发组学

快速、无风险且潜在廉价的诊断的新领域基于挥发性有机化合物(VOCs)，挥发性有机化合物是由患病/受感染细胞释放到血流中的化合物，并且可以从皮肤上方(“皮肤顶部空间”)截留的空气中检测到(Fig17a)。根据文献，健康受试者的皮肤挥发性物质组包含约530种挥发性有机化合物，总共有1840种挥发性有机化合物，而相比之下，呼吸包含872种挥发性有机化合物。皮肤挥发性物质组的成分非常多样，包括碳氢化合物、酮、醛、有机酸、酯、酮和醇。皮肤中的VOC在疾病的非常早期阶段出现，因此，它们的分离和检测应该作为疾病早期检测的途径。偏离健康的VOC范围可能表示疾病或高疾病风险。关于挥发性有机化合物作为疾病诊断的化学生物标志物的潜力的全面综述已经发表。

在发表的极少数与皮肤相关的挥发性有机化合物研究中，一系列离线分析(即通过特定的收集方法收集样本，然后将样本转移到单独的仪器中进行分析)检查了健康受试者皮肤的顶部空间，或通过侵入性外科手术从黑色素瘤皮肤区域采集的活检样本。在所有这些研究中，使用耗时且昂贵的光谱测定法和/或电子鼻装置。为了克服这些挑战，已经设计了用于感测疾病VOC并以非侵入方式连续监测身体变化的皮肤上设备。在这种可穿戴设计中，不需要采取任何特定的行动来收集样本，因为在皮肤顶部空间散发的VOC会自动蒸发，并被皮肤传感器持续捕获(Fig17a)。这种独特的VOC跟踪功能使用户能够在不中断日常活动的情况下不断检查自己的健康状况。这种方法的一个突出例子包括使用可穿戴电子设备的在线探索性试点研究，该设备基于分子修饰的金纳米粒子(AuNPs)的交叉反应化学电阻膜阵列，直接放置在手臂前部的皮肤上。这项研究包括29名健康受试者和18名确诊活动性肺结核患者。在区分活动性肺结核患者和对照样本时，后处理分析的特异性为86.2%，敏感性为94.4%，准确性为89.4%(Fig17b)。些发现增强了可穿戴设备在野外条件下以实时模式检测疾病的潜力。贴片也可以连续佩戴，以监测疾病治疗并确保治疗有效。为了延长使用时间，一些研究建议设计一种传感器阵列，如果设备被划伤或割伤，该传感器阵列可以自我修复。通过集成自修复聚合物衬底上有五种GNP薄膜，一个传感器阵列在基底和传感膜中给出快速的自愈合速率(<3h)和优异的愈合效率。据报道平台用于感应压力和11种通过皮肤散发并与健康状况相关联的挥发性有机化合物(Fig17c,d)。即使在完全愈合后，基于皮肤的传感器阵列在监测挥发性有机化合物和压力变化方面也表现出令人满意的灵敏度、较低的检测极限和有希望的辨别特征(Fig17c,d)。这些结果提出了一种新型的智能传感装置，其在用于几种不同目的的可能检测和/或临床应用中具有理想的性能。

4.4 综合信号

为了全面评估某些特定的健康状况，如伤口愈合和心脏健康，仅仅测量电生理、生物物理或生物化学信号是不够的。它需要融合至少两种这样的信号。在这里，我们讨论了皮肤生物电子学的伤口和心脏健康监测的最新发展。

4.4.1 伤口愈合

在伤口愈合过程中，伤口参数的定量评估，例如因为温度、pH值、水合作用、阻抗、细菌负荷、葡萄糖和尿酸可以监测伤口恢复状态并确定是否存在感染。相比之下，通过目测进行的定性评估更加主观，容易受到周围环境和从业者经验的影响。因此，定量伤口监测有助于减少长期住院时间、医生出诊次数和与治疗相关的长期实验室测试。在这方面，利用皮肤生物电子学，大量生物物理、化学或电生理标记可用作指示伤口愈合状态的诊断目标。

合适的伤口监测装置应保护伤口免受感染，并提供加速伤口愈合的环境。良好的伤口监测装置应具备以下特征：不阻碍伤口分泌的渗出物、保持适当的湿度以防止伤口感染或脱水、生物相容性和无毒性、适当的机械强度、气体交换的渗透性、舒适性和易移除性。皮肤生物电子学已被用于从皮肤上以不可察觉和非侵入的方式监测人体健康。

近年来，在用于监测伤口愈合过程中pH值、温度、水分、压力、导热率、尿酸、葡萄糖浓度和其他参数的皮肤上设备领域取得了巨大的进步。Farooqui等人通过喷墨打印构建了一种无线伤口监测智能绷带，集成了电容传感器和电阻传感器，前者用于出血监测和压力传感，后者用于pH值监测。测试表明，弯曲循环不会影响传感器的性能，这使其有望用于连续伤口监测。但是，厚膜型皮肤装置无法避免皮肤副产品的积累，如皮肤和电子装置界面上的汗液，这将阻碍长时间附着后的准确皮肤感应，并降低皮肤的稳态功能(如皮肤屏障功能)。渗透性的缺乏还会导致皮肤健康信息的干扰，而这些信息对于内部疾病(如过敏)和皮肤疾病(如因此，研究人员一直致力于设计能够“呼吸”的创新伤口监测器。如Fig18所示，受包含无机传感器阵列的毛孔启发而开发的全穿孔皮肤设备用于长期无缝皮肤健康监测，并且其对于长期伤口监测工作良好。弹性体粘合剂和无机薄膜传感器的模量被设计成孔图案，这些孔图案被精确设计以避免完全堵塞人体皮肤上的毛孔。为了确保透气性，设计了圆孔，引导气体和汗水通过毛孔逸出。多个传感器也被穿孔，以抑制汗水滞留。因为伤口完全与外界环境相互作用，穿孔的电子皮肤根本没有阻止伤口愈合过程。同时，良好的渗透性避免了因汗水积聚而造成的传感器损坏，从而能够连续监测脉搏、水合程度、温度和光电导长达两周。如Fig18c所示，在两周时间内，使用和不使用电子皮肤的受伤人类皮肤的恢复证明了这一点。

4.4.2 心脏标测

心血管疾病是全球死亡的主要原因之一。应持续监测心脏状况，尤其是患有心血管疾病的患者。皮肤生物电子技术为连续测量与心脏疾病相关的生物信号提供了一种便捷、非侵入性的方法。柔软的生物电子设备直接与胸部、手腕、颈部或人体的其他部位连接，可执行由心脏活动诱发的生物物理、生物化学和电生理传感。相关的生物物理信号包括血压、血流量、心跳、脉搏波、心音、体温和脉压。通常，要评估心脏状况，应同时连续检测多个信号。

Liu等人演示了一种用于心血管诊断的机械声学传感平台。皮肤贴片质量为213.6mg，厚度为2mm，具有柔软的形状系数(x方向上的有效模量为31.8kPa，y方向上的有效模量为31.1 kPa)。皮肤贴剂也是水可渗透的，并表现出可逆的粘合性(Fig19a,b)。传感部分由机械声传感器、低通和高通滤波器、前置放大器和电容电极组成电生理传感。对于一个健康的人来说，第一个声音(S1)的声频为10–180Hz，第二个声音(S2)的声频为50–250Hz。该传感器覆盖了0.5–550Hz的频率带宽，这对于心血管声音和语音来说是足够的。心震图测量结果与JABES 电子听诊器的结果相当(Fig19c,d)。一名患有三尖瓣和肺动脉瓣反流的老年女性患者证实三尖瓣和肺动脉部位存在恒定强度的杂音。另一个例子是表皮贴片，可用于同时测量血压、心率和代谢生物标志物(Fig19e)。血液动力学信号由超声波传感器监控，该传感器在电脉冲下将超声波束传输至动脉。采用八个传感器与动脉对齐，以获得最佳血压值(Fig19f)。由于良好的机械强度，当颈部转动90度时，血压波形没有变化。已经证实，运动可以导致血压、心率和乳酸水平升高(Fig19g)。报道的表皮贴片对于个性化健康管理中的自我监测具有重要意义。此外，高分辨率(508 p.p.i.)成像仪已被证明可获得指纹、静脉和脉搏波图的图像。超薄成像仪被证明是心脏标测的有效工具。

5 结论和展望

在这份报告中，我们首先回顾了先进的传感设备，重点是材料、设备结构和工作原理、电气、生物物理、光学和生物化学传感模块。然后，我们详细阐述了皮肤生物电子学对材料和结构选择、设备特性和无线技术的要求，以实现长期、连续的健康监测。最后，潜在的医疗保健应用在电生理，生物物理，生化信号和综合监测方面进行了讨论和评论。

创新的材料设计和结构工程使轻薄、柔软、生物相容的皮肤电子设备变得轻便，能够胜任长期、连续的健康监测。例如，先进的非侵入性皮肤生物电子贴片已经显示出以下能力：(1)连续监测用于疾病检测和管理的特定生命信号，例如糖尿病和心脏病；和(2)以无线方式全面评估从新生儿到孕妇的个人健康状况。尽管该领域取得了显著进步，但仍存在许多实际挑战。我们在下面概述了几个剩余的挑战和相关的解决方案。

测量能力

目前，在皮肤生物电子设备中，大多数生物物理、电学、光学和生物化学传感模式都是相互隔离的。它限制了传感能力，并将导致高价格的产品。为了实现更高的健康监测效率，有必要在一个平台上结合多种传感模式。在这种情况下，可以测量更具选择性和特异性的生物信号，以全面评估健康状况。除了多重感应，其他对于目标应用，良好的线性度和足够高的灵敏度等性能也是需要考虑的重要参数。虽然已经开发了多种先进的软材料作为皮肤生物电子学的传感材料，但是它们的电学或电化学性质仍然需要进一步改进以达到刚性电子材料的既定性能。需要对材料和器件结构进行进一步研究，以增强传感能力。

坚固的刚性-柔性接口

薄而柔软的皮肤生物电子学已经被证明具有优异的皮肤顺应性和在反复机械变形下经受高周疲劳测试的能力。然而，在层压到人的皮肤上之后，该装置在经受长期、连续、随时间动态的皮肤变形方面不是足够稳健的。包括拉伸、压缩和扭曲。它要求在皮肤-装置界面上具有牢固的粘附力，并在动态环境中具有牢固的装置配置。一种可能的解决方案是开发具有良好机械强度的超薄生物相容性粘合剂。然而，由于几何薄度和机械强度之间的权衡，超薄生物电子装置通常具有有限的拉伸性和机械耐久性。为了防止长期使用中的界面失效，需要对材料和软硬界面设计有很好的了解和进一步的研究。

长期稳定性

长期稳定性要求皮肤生物电子学具有高皮肤顺应性、机械耐久性和拉伸性。为了同时实现这些特性，需要努力开发先进的软纳米材料。此外，为了保持稳定的功能，皮肤生物电子器件应该能够在长期皮肤附着期间在湿润的条件下生存。为了解决这个问题，需要疏水材料或适当的封装。在可重复使用的装置的情况下，它们应该足够坚固以承受重复的连接和分离循环。除了上述挑战之外，特别是对于用于连续健康监测的生物医学传感器，传感器表面上体液的有效采样和运输对于确保良好的再现性和避免污染至关重要。此外，考虑到排泄生物流体中的分析物浓度不如血液中的可靠，需要采用再浓缩技术。在大多数情况下，简单的压力传感器是不够的。应对长期、连续生化传感器的挑战将进一步涉及与流体处理、浓缩、培养相关的知识和技术，以及离子选择性和酶方法之外的更有效的传感模式。

系统集成

该领域的最终目标是实现一个可应用于现实生活中的闭环医疗保健管理系统。在这一努力中，小型化、传感器复杂化、分析、电力、通信、安全数据管理、集成和机器学习的结合都应纳入改造的考虑范围，以实现从实验室原型到具有长期、连续传感能力的全便携式、多功能和智能皮肤贴片的转化。系统的全面验证对于广泛采用是必要的。要求临床研究沉浸人群建立与现有临床方法等效的操作性能。此外，技术进步需要材料和设备工程师、数据科学家和医学专业人士的共同努力。使用者和护理者需要更密切地参与进来。

商品化

为了实现皮肤生物电子学的商业化，需要高产量和大规模定制的低成本制造技术。传统制造方法，如光刻、蚀刻工艺和高真空沉积，需要昂贵的设备且耗时。这将提高产品的价格。先进的制造技术，例如印刷，可以实现大规模制造并降低制造成本。此外，为了获得良好的生物相容性，制造过程不应涉及任何有毒材料或溶剂。创新的制造技术对于保证材料与工艺参数的兼容性是必要的。

尽管还有未解决的挑战，我们相信皮肤随着上述各个方面的不断发展，生物电子学将实现其全部潜力。下一代皮肤生物电子器件有望实现自供电、多功能和智能，并能够采集日常生活中的生物信号，用于个性化医疗保健管理。将它们整合到健康个体和患者的生活方式中是可能的，允许生活在地理偏远或经济有限地区的人获得医疗保健。

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