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為了解決這些問題，洛杉磯寺崎生醫創新研究所的團隊開發了一種基于柔性明膠甲基丙烯酰基氣凝膠( FGA )的具有生物相容性和可生物降解的電子皮膚貼片，用于無創和連續監測多個目標標志物。利用低溫處理和緩慢聚合的優勢，FGA具有高度互連的多孔結構，表現出良好的柔韌性、被動冷卻能力和超輕的特性。

它還為熱濕傳遞提供了眾多可滲透的毛細管通道，保證了其優異的透氣性。因此，基于FGA的E -Skin可以通過電生理傳感器同時監測體溫、水化和生物電位，并通過電化學傳感器檢測葡萄糖、乳酸和酒精水平。相關論文以“A Breathable, Passive-Cooling, Non-Inflammatory, and Biodegradable Aerogel Electronic Skin for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis”為題發表在Advanced Materials。

圖1 FGA電子皮膚的制備和結構

FGA電子皮膚的制備和結構

基于FGA的電子皮膚的3D多孔結構使其具有出色的透氣性。空氣和水分很容易通過相互連通的毛細管微通道來平衡人體皮膚與外界環境之間微環境的熱濕平衡(圖1b)。圖1c簡要說明了基于FGA的E - skin的多模態傳感功能，包括皮膚阻抗/水合傳感器、溫度傳感器、生物電位和電化學傳感器。圖1d為制備的FGA電子皮膚在花朵上的數碼照片，表明其超輕(≈200 mg )和極低密度(≈0.03 g cm-3)。圖1e顯示了基于FGA的E – Skin貼片在皮膚上的適形能力。

柔性氣凝膠的機械性質

作者研究FGAs的孔隙率≈69 %，是BGAs的2.5倍(圖2d )。這種高度均勻的FGAs孔隙連通性支持氣凝膠變形后的完全形狀恢復，而傳統的氣凝膠（BGA）在高應變下發生斷裂，無法保留其原有的結構。在機械變形過程中，FGAs的結構保持也歸因于小的孔徑，這可以增強整個氣凝膠中增加的孔隙密度，并提供結構支持來維持骨架。由應力-應變曲線斜率計算得到的FGAs彈性模量明顯高于BGAs (圖2f )。FGAs優異的機械性能是這種高度多孔結構和自組織介導的物理交聯的結果，它們在低溫下提高了聚合物網絡(即氫鍵作用)的結晶度。

此外，FGAs優異的吸水性，BGAs吸收的水比FGAs少約50 %，并且在30 min內達到平衡，比FGAs緩慢(圖S23，P < 0.05 )。值得注意的是，在吸水后，FGAs的原始尺寸和結構沒有明顯的變化，這表明FGAs具有優異的抗溶脹性能，這對于E -Skin的應用至關重要。

圖2. FGA電子皮膚的機械性能

此外作者測試了氣凝膠在極端條件下的力學性能。結果表明將這種FGA折疊并展開后，電極仍保持導電性，如圖2m所示。這是因為印刷在該FGA基板上的軟導電油墨在折疊和展開過程中保持導電，并發生形變以承受所施加的應力。

FGA電子皮膚的實際應用

作者進一步證明了制備出的氣凝膠具有較好的生物相容性，通過細菌培養得知FGAs對細胞的代謝活性沒有影響。在對FGA電子皮膚進行了超過30天的體外生物降解研究，結果表明，經過20天的培養，整體降解和水解，重量損失近60 % (圖3cII )。此外，經過30天的降解期，FGA基E-skin幾乎減少了至少80 %的原始重量，表明其具有優異的生物可降解性。同時FGAs還具有較好的降溫能力。

圖3 FGA電子皮膚的生物相容性

圖4 FGA電子皮膚的實際應用測試

FGA電子皮膚的實際應用測試

最后作者驗證了E - skin在現實場景中的表現，即受試者進行各種活動或暴露于可能對身體的物理、生理和/或代謝反應產生競爭影響的多種刺激（圖4）。E - skin被研究用于跟蹤物理和生理信號，以及對暴露于不同刺激的受試者進行多重生化監測。

測試結果表明，基于FGA的電子皮膚能夠檢測和跟蹤日常活動，包括同時攝入食物和酒，作為能量庫產生葡萄糖的食物和酒的消化，以及血液中酒精的積累。同時監測酒精和葡萄糖有助于區分適度飲酒和過度飲酒，有助于預防飲酒相關事件，特別是對于那些有潛在健康問題的人。

總結：這項工作提供了一種先前尚未探索的方法進行E-skin的制備，在生物器件領域具有極大的應用潛力。