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柔性电子产品：可穿戴设备和植入设备的革新

芝能智芯出品

小型的可穿戴或植入式电子设备正在逐渐成为监测健康、诊断疾病以及提供改进的治疗方法的重要工具。 为了确保这些设备不会加剧或损害周围组织，需要具备足够的柔软性，能够随着身体的运动而弯曲和拉伸，同时不会造成刮伤或损害。

在这个背景下，斯坦福大学的研究人员开发出了一种新型的软集成电路， 其功能强大到足以驱动微型LED屏幕，同时尺寸小到足以读取一平方厘米内的数千个传感器。

Part 1

《自然》杂志上的类肤集成电路设计和制造工艺

这项研究的重要成果发表在《自然》杂志上，研究人员展示了一种新的类肤集成电路设计和制造工艺，其尺寸比之前的版本小五倍，运行速度高达一千倍。 通过这项创新，他们成功驱动了微型LED屏幕，并且能够检测比人类指尖更灵敏的盲文阵列。

研究团队的负责人之一、斯坦福大学化学工程学院的KK Lee教授表示：“我们已经取得了重大飞跃。 可伸缩集成电路现在第一次变得足够小、足够快，足以满足许多应用的需要。”这一创新有望使得可穿戴传感器和植入式神经和肠道探针更加灵敏，能够操作更多的传感器，并且可能消耗更少的功率。

这项电路的核心技术是由鲍实验室开发的可拉伸晶体管，由半导体碳纳米管和软弹性电子材料制成。 与传统的硅材料相比，这些碳纳米管夹在弹性材料之间，具有鱼网状结构，使得它们在拉伸和变形时仍能正常工作。此外，晶体管和电路以及可拉伸的半导体、导体和介电材料被图案化到可拉伸的基板上。

Part 2

传感器和处理电路

在最新的一次演示中，研究人员将2500多个传感器和晶体管安装到一平方厘米的区域内，创建了一个比人类指尖更灵敏十倍以上的有源矩阵触觉阵列。

此外，研究人员还成功驱动了刷新率为60 Hz的微型LED显示器，这是计算机或电视屏幕的典型刷新率。

这些性能的提升意味着这些电路可以在更广泛的应用领域中发挥作用，包括生物医学应用和软机器人领域。

使用盲文， 你通常一次只能感觉到一个字母。有了如此高的分辨率，你只需轻轻一按就可以感知整个单词，甚至可能感知到整个句子。 这项技术的未来仍然面临挑战，但最近的发展为可穿戴和植入式电子产品开辟了一些非常令人兴奋的生物医学应用。

研究人员还计划开发出可以与现有制造工具配合使用的材料和工艺，以便这些电路更容易地进入商业制造。 然而，在这些可拉伸的软集成电路准备商业化之前，仍然需要克服一些挑战，例如身体和组织的运动可能导致电路的电气特性发生变化，以及这些设备在投入使用之前需要某种软防潮保护。

小结

这一创新有望让我们迈向一个充满可能性的未来，在这个未来中，我们能够利用柔性电子产品更好地监测健康、诊断疾病，并提供更有效的治疗方法。

聚焦：心血管健康监测新手段-柔性电子

心血管疾病（Cardiovascular diseases，简称CVDs） ，如冠状动脉疾病、中风、心力衰竭、高血压和心律失常等，已成为全球领先的死亡原因。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年约有1790万人因CVDs死亡，占全球死亡总数的约31%。随着全球老龄化问题日益严重，CVDs的死亡率预计会继续上升。不良的生活方式是主要诱因之一，如高盐高脂饮食、缺乏体育锻炼、吸烟和过度饮酒。此外，高血压、高血脂、糖尿病等慢性疾病也是心血管病发生的重要风险因素。定期的风险筛查可显著降低心血管疾病的发病率，精确的心血管检查可以有效地促进心血管疾病的治疗。目前，血压、心电图（ECG）、超声心动图和心外膜监测是用于筛查CVDs的主要方法。然而，用于这些检测的传统医疗器械通常面临体积庞大、难以携带、功能单一、操作繁琐等问题。

柔性电子技术 的出现为上述问题提供了全新的解决方式。不同于传统的硅基刚性电子受制于摩尔定律，柔性电子具有轻、薄、柔、小等特性，能够适形于复杂表面，既可以贴在皮肤上（表皮电子），又能够与衣服结合（织物电子），甚至可以植入到人体内（可植入电子）。柔性电子具备无创、连续、原位、实时和舒适监测关键生理信号的能力，在跟踪和监测代谢紊乱、心血管问题、糖尿病等慢性症状方面尤为突出。通过对血压、心电图、超声心动图和心外膜等生理信号的持续有效监测，柔性电子可以检测CVDs的早期指标并提出个性化治疗，改善患者的预后。根据其工作机理，柔性电子在CVDs方面的应用可大致分为三类：i）柔性机械电子，利用自身机械变形和弹性波与被测物体的相互作用；ii）柔性光学电子，利用光波与被测物体的相互作用；iii）柔性声学电子，利用声波与被测物体的相互作用。

2023年7月28日，来自中国医学科学院阜外医院的李守军 教授、黄源医师与来自西安电子科技大学杭州研究院的江山副教授合作以 Flexible electronics for cardiovascular healthcare monitoring 为题在The Innovation 杂志发表了综述文章，他们总结了综述了柔性电子在CVDs监测方面的最新进展，聚焦于血压、心电图、超声心动图和心外膜四个典型临床应用场景，并给出了柔性电子之于CVDs临床应用这一医工交叉领域的挑战和发展方向。

图1. 柔性电子用于心血管健康与疾病监测

柔性电子用于血压监测

血压测量在CVDs监测中是一个简单但又重要的方法，它能够帮助早期发现和预防心血管问题，评估风险水平，并监测治疗效果。相较于传统袖带法，柔性电子能够无创、连续、实时监测血压。目前，柔性电子用于血压监测主要是柔性机械传感器、柔性光学传感器、柔性声学传感器。限于篇幅，此处只展示第一种（图2） ，感兴趣的读者可查阅原文。图2A给出了血压和脉博的测量原理，即通过柔性压力/应变传感器测量血管的舒张变化。图2B-2F是研究者们在提高精度、降低信噪比、抑制伪影等方面的代表性进展。现阶段，柔性机械传感器在脉搏和血压监测方面的临床应用主要受到灵敏度不足、运动伪影、高能耗等限制，未来的研究需要首先解决灵敏度和持续性问题，同时降低能耗。

图2. 柔性压力/应变传感器测量脉搏和血压

柔性电子用于心电图监测

ECG监测 是另一种安全、无创、简单且有效的CVDs监测方法，通过测量心脏的电信号来评估心脏的功能和节律。目前，柔性电子应用于ECG监测主要是通过柔性电极，即柔性干电极和柔性湿电极，二者的区别在于湿电极需要凝胶/贴片等粘附介质而干电极不需要。湿电极能提供更优的信号质量，但粘附介质存在材料要求高、后续清洁等缺点；干电极可直接使用，信号强度更高，但易导致伪影。图3展示了柔性干电极用于ECG监测。研究者仿树蛙脚垫和章鱼吸盘结构调整电极表面形貌以增强粘附作用并有效抑制伪影（图3A） 或采用分形设计出超薄、超软的电极并应用于新生儿的ECG监测（图3B） 。

图3. 柔性干电极用于ECG监测

柔性电子用于超声心动图监测

超声心动图监测 是一种非侵入性的心脏检查技术，利用超声波来产生心脏及其各种组成部分的实时图像，以评估心脏的结构和功能，在CVDs监测中有广泛的应用。目前，柔性电子（主要是柔性超声贴片）应用于超声心动图监测最具代表性的成果来自麻省理工学院赵选贺教授于2022年6月提出的生物粘附超声贴片（图4A） 及加州大学圣地亚哥分校徐升教授于2023年1月提出的可拉伸超声贴片（图4B） 。这两项工作分别展示了柔性超声贴片的两种不同发展路径，前一种通过水凝胶制成的耦合剂将硬质传感探头粘附于皮肤，在器件性能方面更胜一筹；后一种采用本征可拉伸材料制备传感探头，具有更好的穿戴舒适性，这两种发展路径各具优势。

图4. 柔性超声贴片用于超声心动图监测

柔性电子用于心外膜监测

心外膜监测 是指直接测量或监测心脏表面生理参数的侵入性方法，直接测量或监测心外膜的电活动、血流或其他生理参数，在CVDs监测中具有不可取代的作用。另外，通过直接心外膜监测技术，医学界能够更深入了解心血管系统，为CVDs的早期诊断和治疗提供更准确、更有针对性的支持。不同于上述无创方法，作为一种植入式策略，心外膜监测会带来一定的风险，如感染、移位、二次损伤等。柔性电子的生物相容性、生物可降解、无线传输、自供电、超薄而多功能等特点，有可能最大限度地减少侵入性风险。图5展示了几种柔性传感器应用于心外膜监测，这些传感器环绕动脉或附着在心肌表面，输出电信号能够反映生理和病理心血管状态，例如心内膜压 (EP)、心室颤动和室性早搏等。

图5. 柔性电子应用于心外膜监测

结论与展望

柔性电子颠覆性地改变了传统医疗监测器件、设备和系统的刚性物理形态，使其具有轻薄柔软、可穿戴、可植入和零负荷的优势，实现医学信息与人、物体和环境的高效共融，是未来智慧医疗的信息源头，具有匹配环境的可变形特性、轻薄多层的器件集成特性、柔性芯片与柔性电路集成特性，与人体共形贴合的高可穿戴特性等优势。柔性电子在医学上的应用已经是必然的趋势，具有无比广阔的应用前景，最保守估计也是千亿市场规模。本文旨在从实际临床应用的角度激发相关领域研究人员的兴趣和好奇心。为此，本文试图回答以下问题：柔性电子在心血管健康监测方面可以提供哪些优势？目前有哪些限制？如何获得适用于临床应用的合格柔性电子设备？一方面，本文向柔性电子领域研究人员展示了心血管监测临床需求所带来的挑战，另一方面向其他领域研究人员，尤其是临床医学领域从业者，介绍了柔性电子在心血管监测方面所带来的新的可能性。