Nature：为稳定、长期的生物信号监测开发超渗透性可穿戴电子设备

香港城市大学(CityUHK)的科学家们开发出了一种超级可穿戴电子产品，重量轻，可拉伸，可将排汗性提高400倍，可长期可靠地监测生物医学设备的生物信号。

　　

香港城市大学于欣格团队在Nature上发表题为 “A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics” 的研究论文。该研究通过三维定向汗液输运技术，开发了兼具透气透汗与高集成度的柔性电子器件，实现了七天连续舒适佩戴以及稳定生理信号监测，为长期、稳定、舒适可穿戴电子提供了设计思路。香港城市大学于欣格副教授为该论文通讯作者，香港城市大学博士后张彬彬、李冀豫，博士研究生周靖昆、邹龙为共同第一作者。

柔性电子在健康监测、个性化医疗等领域具有重要应用前景。然而，相对于其力学和电学性能，可穿戴设备的透气性仍不尽如意。较差的透气性导致汗液累积于器件-皮肤界面，不仅造成用户热生理不适，导致皮肤发炎，还会降低器件的信号质量及粘附强度，限制了其长期、精确的生理信号监测能力。

维持稳固的器件-皮肤界面，是实现柔性电子长期稳定工作的决定性因素。近期报道的透气电子，通过构建纳米或微米尺度孔洞结构，为皮肤提供透气、透汗通道，引起广泛关注。然而，由于单一的结构设计，已有报道只能实现电极层面的透气性。开发先进的可穿戴电子设备，包括集成功能更加复杂的传感器、电路、封装等结构，实现高集成度、多功能的透气电子，在流体操控和集成工艺等方面仍面临巨大的挑战。

本工作中，受自然界生物（猪笼草、仙人掌、蜘蛛丝等）特殊表面上液体自发输运现象的启发，研究人员设计了一种在三维尺度上驱动液体进行自发、定向输运的结构，称为三维液体二极管（3D LD）。通过面内、面外排汗结构的有序集成，3D LD的液体传输速率超过人体正常排汗速率的4000倍。同时，其作为一种通用的透气、透汗衬底材料，可以通过传统加工工艺与高性能柔性电路直接集成，制备兼具高透气性与集成度的可穿戴电子设备。

该研究的用户实验表明，与商业电极贴片和常用的PDMS基底相比，基于3D LD的电极贴片在用户舒适性、长期生物相容性、出汗状态下的粘附性和信号质量等方面都具有更优的表现。

基于三维液体二极管技术，该团队展示了一种透气、透汗的心电监测贴片，并实现了其在日常活动和运动状态下长达七天的连续心电监测。同时，也将该技术应用于织物集成电子中，设计了一种用于多功能无线环境监测的电子织物。

总而言之，该研究工作提出了一种用于构建柔性、集成透气电子的普适性策略，推动了透气电子从概念到实际应用的发展，有助于改善可穿戴电子领域的用户体验，显著提升了柔性电子在长期服役中的监测精度及稳定性，在临床监护以及长期健康监测领域有具备广阔的应用潜力。

论文其他重要合作者还包括香港城市大学邱美娈助理教授、王锋教授，西南交通大学杨维清教授，香港理工大学郑子剑教授、王钻开教授。该研究得到了国家自然科学基金、香港城市大学、香港心脑血管健康工程研究中心、香港研究资助局、深圳市科技创新委员会等项目支持。

作者介绍

于欣格

香港城市大学

于欣格 (Xinge Yu)，香港青年科学院院士。香港城市大学生物医学工程系副教授、博导，香港城市大学-中国科学院机器人联合实验室副主任，香港心脑血管健康工程研究中心协理副主任。2023香港RGC Research Fellow 获得者。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（港澳）。《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。《Microsystems & Nanoengineering》、《Bio-Design and Manufacturing》等10余部期刊的副主编和编委。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域以及智能触觉VR中的应用。在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering等期刊发表论文160余篇。