維持平衡的生活方式并有效識(shí)別臨床前癥狀以實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期干預(yù)對(duì)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(gè)性化醫(yī)療和數(shù)字健康服務(wù)，傳統(tǒng)醫(yī)療實(shí)踐的發(fā)展進(jìn)程正在迅速變革?；谄つw接口的可穿戴設(shè)備可以實(shí)時(shí)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(dòng)因素。

通過皮膚實(shí)時(shí)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(duì)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(jī)器學(xué)習(xí)）相結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)許多實(shí)際的健康監(jiān)測和臨床應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使遠(yuǎn)程多模態(tài)個(gè)性化健康評(píng)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(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)用于局部汗液導(dǎo)出的水凝膠涂層離子電泳電極、一個(gè)用于高效汗液采樣的微流控器件和一個(gè)作為能量存儲(chǔ)模塊的微型超級(jí)電容器（MSC）組成（該模塊與一個(gè)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?；顒?dòng)中長時(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析方法，為數(shù)字健康時(shí)代的個(gè)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(jì)和表征

圖3 3D打印生化傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的全3D打印e3-skin能夠同時(shí)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(yàn)證，研究人員演示了e3-skin在人體日?；顒?dòng)中的實(shí)時(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)算法分析能夠?yàn)閷?shí)際生活中人體的個(gè)性化健康評(píng)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(gè)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(shí)踐中得到應(yīng)用。

圖6 e3-skin實(shí)時(shí)健康監(jiān)測和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的健康狀況預(yù)測性能的在體評(píng)估

審核編輯：劉清