維持平衡的生活方式并有效識別臨床前癥狀以實現(xiàn)對疾病的早期干預對維持身體健康和長壽至關重要。隨著可穿戴技術的出現(xiàn)，通過依托個性化醫(yī)療和數(shù)字健康服務，傳統(tǒng)醫(yī)療實踐的發(fā)展進程正在迅速變革。基于皮膚接口的可穿戴設備可以實時提供與用戶健康狀況相關的詳細信息，被認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，可以提供有關人體生理狀況的深層信息。另一方面，對汗液這種關鍵的無創(chuàng)體液進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。這種多模態(tài)數(shù)據(jù)與現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析方法（例如機器學習）相結合，將實現(xiàn)許多實際的健康監(jiān)測和臨床應用。

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性和通用的基于半固體擠出（SSE）工藝的3D打印技術構建而成，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，通過與機器學習相結合，使遠程多模態(tài)個性化健康評估成為可能。相關研究成果以“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，可以高精度地構建可穿戴系統(tǒng)中的所有多維結構。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細絲轉變?yōu)槎嗫捉Y構，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，結合基于機器學習的數(shù)據(jù)分析方法，為數(shù)字健康時代的個性化醫(yī)療保健的廣泛應用打開了大門。

圖2 3D打印生物物理傳感器的設計和表征

圖3 3D打印生化傳感器的設計與表征

圖4 用于汗液導出、采樣和多路分析的3D打印微流控器件的設計和表征

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。研究結果表明，e3-skin收集的信息結合機器學習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%的準確率預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備，可以使用該研究所提出的簡單和低成本的3D打印技術進行原型制作，從而在常規(guī)遠程健康監(jiān)測和臨床實踐中得到應用。

圖6 e3-skin實時健康監(jiān)測和機器學習驅動的健康狀況預測性能的在體評估

審核編輯：劉清