综述-智能电子皮肤：柔性电子赋能下一代健康监测的革新之路

 研究背景  

连续监测生理信号对疾病早筛、个性化治疗和健康管理至关重要。传统可穿戴设备（如智能手表、健身手环）因刚性结构与皮肤机械不匹配，存在贴合性差、运动伪影多、透气性不足等问题，难以实现长期高精度监测。  

皮肤作为人体最大器官，蕴含丰富生理信号，但皮肤表面的不规则性、毛发及动态形变进一步加剧了设备与皮肤的界面矛盾。皮肤表皮电子器件（on-skin epidermal electronics）凭借超薄、柔软、轻质特性，可与皮肤无缝贴合，同时兼具透气性和机械电稳定性，成为解决长期健康监测难题的关键技术，有望推动个性化医疗的变革。

研究成果

生物信号的持续监测对于推进疾病早期检测、个性化治疗和健康管理至关重要。柔性电子器件能够在日常生活中准确监测生物信号，因其柔软性、贴合性和生物相容性而备受关注。然而，该领域仍存在一些挑战，包括皮肤-器件界面不够理想、透气性有限以及机械电稳定性不足等问题。皮肤表皮电子器件以其优异的贴合性、透气性和机械电稳健性，为高保真、长期健康监测提供了一种很有前景的解决方案。这些器件能够与人体无缝集成，有望为未来个性化医疗带来变革性进展。

西安交通大学陈小亮教授在本综述系统梳理了皮肤表皮电子器件的最新研究进展，重点关注材料科学、结构设计、所需性能及实际应用等关键方面。探讨了多种材料，分析了它们的特性以及为构建高性能表皮电子器件而开发的相应结构设计。随后，讨论了实现长期健康监测所需的器件性能（包括粘附性、透气性和机械电稳定性）的不同方法。此外，我们总结了这些器件在监测生物物理和生理信号方面的多种应用。最后，我们阐述了这些器件面临的挑战并展望了未来前景，为用于长期健康监测的皮肤表皮电子器件的持续发展提供了见解。相关报道以“On?Skin Epidermal Electronics for Next?Generation Health Management”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

Fig. 1 Overview of the on-skin epidermal electronics with desired properties based on different functional materials and structure design for physiological signals monitoring. 

综述要点  

1. 材料-结构协同设计是表皮电子性能的核心：金属、碳材料、导电聚合物、液态金属、水凝胶各有优劣，需通过结构优化（如蛇形、纳米网格）弥补固有缺陷。  

2. 粘附性、透气性、机械电稳定性是长期监测的三大支柱，需通过超薄设计、仿生结构、化学修饰等多策略协同实现。  

3. 应用覆盖运动、心血管、神经等多领域，结合AI算法可提升信号解析效率，推动个性化医疗。  

综述内容  

（一）材料与结构设计：高性能表皮电子的核心基础  

表皮电子器件的性能依赖于功能材料的选择与结构设计的协同优化，需平衡导电性、拉伸性、生物相容性等核心指标。  

1. 金属材料

   - 特性：金、银等金属导电性优异（~10? S/m）、化学稳定，但刚性强（应变耐受通常<5%）。  

   - 结构设计：通过蛇形结构、剪纸（Kirigami）、纳米网格、微裂纹等设计提升拉伸性（如蛇形结构可实现30%应变，纳米网格可耐130%应变）。

   - 挑战：贵金属成本高，真空沉积工艺限制大规模生产。  

Fig. 2 Metal-based on-skin electronics. 

2. 碳材料  

   - 石墨烯：电子迁移率高（~10? S/m）、机械强度优异（130 GPa），通过激光刻蚀、湿转移等技术实现图案化，可用于透明、轻质器件（如血压监测平台可连续工作300分钟）。  

   - 碳纳米管（CNTs）：导电性（~10? S/m）和导热性（6000 W/m·K）突出，与丝蛋白等复合可制备自供能器件，用于运动监测、药物递送等。  

Fig. 3 Graphene-based on-skin electronics.

Fig. 4 Carbon nanotubes-based on-skin electronics.

3. 导电聚合物

   - 代表材料：PEDOT:PSS，兼具柔性和生物相容性，通过与水凝胶、离子液体复合提升导电性（最高5165 S/cm）和拉伸性（>56.9%），适用于肌电、心电监测。  

Fig. 5 Conductive polymer-based on-skin electronics. 

4. 液态金属 

   - 特性：室温下呈液态，导电性（10? S/m）和拉伸性（500%）优异，自修复能力强。  

   - 突破：通过双相复合、原位烧结等技术解决高表面张力导致的图案化难题，可制备超拉伸（1200%应变）、透气电路，用于ICU级心脏监测。  

Fig. 6 Liquid metal-based on-skin electronics. 

5. 水凝胶 

   - 特性：与皮肤模量匹配（1-100 kPa）、离子导电，通过引入甘油、PCA-Na等成分解决脱水问题，可实现长期（>1周）稳定贴合，用于电生理信号监测。  

Fig. 7 Hydrogels used for on-skin electronics. 

（二）器件关键性能：长期监测的三大核心要求  

1. 粘附性：确保器件与皮肤稳定贴合，减少运动伪影  

   - 超薄设计（<1.2 μm）：通过范德华力实现无胶贴合（如850 nm厚器件可无缝贴合皮肤褶皱）。  

   - 化学结合：利用氢键、静电作用与皮肤表面基团（-OH、-COOH）结合（如明胶膜通过氢键实现90 N/m的粘附力）。  

   - 仿生结构：仿章鱼吸盘、树蛙 toe pad的微纳结构，提升干湿环境下的粘附强度（最高6.6 N/cm2）。  

Fig. 8 Strategies for realizing adhesiveness of on-skin electronics. 

2. 透气性：避免汗液积聚，保障佩戴舒适性  

   - 超薄/无基底设计：150 nm厚电极水 vapor 传输率（WVTR）达580 g/m2·d。  

   - 多孔/纳米纤维结构：通过静电纺丝制备多孔基底，WVTR最高2941 g/m2·d，适用于长期佩戴。  

   - 微流道设计：仿生物器官的单向导汗结构，避免汗液干扰（如3D液态二极管可快速排汗）。  

Fig. 9 Strategies for realizing breathability of on-skin electronics. 

3. 机械电稳定性：确保长期信号保真  

   - 结构优化：螺旋形、灯笼状互连结构减少应变集中（电阻变化<0.5%@100%应变）。  

   - 环境耐受：通过自修复材料（如动态 catechol-硼酸酯键）、抗油污涂层（两性离子聚合物）应对汗液、油脂干扰。  

Fig. 10 Strategies for realizing mechanoelectrical stability of on-skin electronics. 

（三）应用场景：从生理信号到健康管理  

1. 生物物理信号监测 

   - 运动检测：应变传感器监测步态、脊柱姿态，辅助帕金森病、阿尔茨海默病筛查。  

   -  vital 体征：压力传感器阵列结合深度学习监测血压、心率（准确率99.8%）；温度传感器实时捕捉呼吸异常，用于危重症监测。  

Fig. 11 On-skin epidermal electronics for physio-physiological recording. 

2. 电生理信号监测 

   - 心电（ECG）：柔性水凝胶电极可连续1周记录心率失常，精度媲美临床设备。  

   - 肌电（EMG）：仿毛发皮肤的粘弹性电极，在动态形变下仍保持高信噪比，用于中风康复评估。  

   - 脑电（EEG）：透气网格电极实现5天至2周的长期监测，结合AI算法辅助抑郁症诊断。  

Fig. 12 On-skin epidermal electronics for electrophysiological recording. 

总结与展望  

表皮电子器件通过材料创新与结构优化，解决了传统可穿戴设备的贴合性、透气性和稳定性难题，在长期健康监测中展现出巨大潜力，已实现从基础研究到临床原型（如新生儿重症监护、ICU心脏监测）的突破。  但仍存在以下挑战和未来研究方向：

1. 性能平衡：需通过AI辅助设计实现粘附性、透气性与稳定性的协同优化。  

2. 材料革新：发展离子-电子混合传导材料（如PEDOT:PSS与液态金属复合），降低皮肤界面阻抗。  

3. 多模态集成：整合生理、生化信号监测，结合机器学习解决信号耦合问题。  

4. 商业化瓶颈：需突破大规模制造成本、数据隐私保护、行业标准缺失等问题。  

未来，表皮电子器件有望成为“第二皮肤”，推动医疗模式从疾病治疗向预防、个性化管理转变。