維持平衡的生活方式并有效識別臨床前癥狀以實現(xiàn)對疾病的早期干預(yù)對維持身體健康和長壽至關(guān)重要。隨著可穿戴技術(shù)的出現(xiàn)，通過依托個性化醫(yī)療和數(shù)字健康服務(wù)，傳統(tǒng)醫(yī)療實踐的發(fā)展進(jìn)程正在迅速變革。基于皮膚接口的可穿戴設(shè)備可以實時提供與用戶健康狀況相關(guān)的詳細(xì)信息，被認(rèn)為是這一努力不可或缺的推動因素。

通過皮膚實時跟蹤心率和體溫等生命體征，可以提供有關(guān)人體生理狀況的深層信息。另一方面，對汗液這種關(guān)鍵的無創(chuàng)體液進(jìn)行原位微流控采樣和分析，可以提供與我們的健康狀態(tài)密切相關(guān)的豐富生物分子信息。為此，亟需開發(fā)具有分子傳感和生命體征跟蹤功能的多模態(tài)可穿戴系統(tǒng)，以便更全面地了解我們的身體反應(yīng)。這種多模態(tài)數(shù)據(jù)與現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析方法（例如機器學(xué)習(xí)）相結(jié)合，將實現(xiàn)許多實際的健康監(jiān)測和臨床應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述挑戰(zhàn)，近期，美國加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）的研究人員提出了一種具有多模態(tài)理化傳感能力的微流控彈性電子皮膚（e3-skin）——專門使用一種具有高度適應(yīng)性和通用的基于半固體擠出（SSE）工藝的3D打印技術(shù)構(gòu)建而成，其涉及墨水直寫和選擇性相位消除工藝。這種3D打印的e3-skin，通過與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使遠(yuǎn)程多模態(tài)個性化健康評估成為可能。相關(guān)研究成果以“3D-printed epifluidic electronic skin for machine learning–powered multimodal health surveillance”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

圖1 基于半固體擠出（SSE）工藝的3D打印e3-skin

為了制備具有最佳性能的e3-skin，以實現(xiàn)在體生物傳感、表皮微流控調(diào)制和能源效率，定制了包含各種多維納米材料、聚合物和水凝膠組成的功能墨水，可以高精度地構(gòu)建可穿戴系統(tǒng)中的所有多維結(jié)構(gòu)。此外，所有墨水在配制時都力求滿足半固體擠出所需的流變特性，這就需要根據(jù)所選定的材料組合來確定合適的粘彈性和剪切稀化行為。同時，研究人員還利用相位消除策略，包括選擇性去除墨水中的犧牲成分，將打印的3D細(xì)絲轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，以提高其性能。

基于半固體擠出工藝的3D打印e3-skin由一系列電化學(xué)汗液生物傳感器（例如葡萄糖、酒精和pH傳感器）和生物物理傳感器（例如溫度和脈搏傳感器）、一對用于局部汗液導(dǎo)出的水凝膠涂層離子電泳電極、一個用于高效汗液采樣的微流控器件和一個作為能量存儲模塊的微型超級電容器（MSC）組成（該模塊與一個能量收集裝置（如太陽能電池）接口，用于可持續(xù)可穿戴操作）。此外，通過與無線電子模塊進(jìn)一步集成，e3-skin可以從人體日常活動中長時間地收集理化數(shù)據(jù)。這種多模態(tài)數(shù)據(jù)收集技術(shù)，結(jié)合基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析方法，為數(shù)字健康時代的個性化醫(yī)療保健的廣泛應(yīng)用打開了大門。

圖2 3D打印生物物理傳感器的設(shè)計和表征

圖3 3D打印生化傳感器的設(shè)計與表征

圖4 用于汗液導(dǎo)出、采樣和多路分析的3D打印微流控器件的設(shè)計和表征

圖5 用于e3-skin的3D打印可穿戴能源系統(tǒng)的表征

這種精心設(shè)計的全3D打印e3-skin能夠同時監(jiān)測汗液中的葡萄糖、酒精和pH值，以及心率和溫度。作為概念驗證，研究人員演示了e3-skin在人體日常活動中的實時健康監(jiān)測性能。研究結(jié)果表明，e3-skin收集的信息結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法分析能夠為實際生活中人體的個性化健康評估提供有用的信息。例如，e3-skin能夠以超過90%的準(zhǔn)確率預(yù)測個體在飲酒后的行為障礙程度。在未來，這種具有多模態(tài)傳感能力的可穿戴設(shè)備，可以使用該研究所提出的簡單和低成本的3D打印技術(shù)進(jìn)行原型制作，從而在常規(guī)遠(yuǎn)程健康監(jiān)測和臨床實踐中得到應(yīng)用。

圖6 e3-skin實時健康監(jiān)測和機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的健康狀況預(yù)測性能的在體評估

審核編輯：劉清