香港城市大学马治强、邱美孌教授综述：基于激光诱导石墨烯的柔性皮肤电子设备在智能医疗中的最新进展

Recent advances in laser-induced-graphene-based soft skin electronics for intelligent healthcare

Zhiqiang Ma*, Bee Luan Khoo*

通讯单位：香港城市大学生物医学工程系

全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2024.20

图片摘要

导读

皮肤是获取宝贵医疗管理和疾病诊断信息的重要来源，而柔性皮肤电子设备的集成可以在皮肤界面精确且及时地捕捉这些信息。凭借其轻量化设计、结构紧凑、集成度高、生物相容性好和高舒适性等特点，该设备技术在推动各种应用方面具有重要前景。然而，目前大多数柔性皮肤电子设备的制造过程通常需要昂贵的生产平台和洁净室环境，这无疑会增加生产成本。近年来，激光诱导石墨烯（LIG）的出现为开发既经济实惠又高性能的柔性皮肤电子设备提供了切实可行的解决方案。文章全面回顾了近期关于基于LIG的柔性皮肤电子设备（LIGS²E）在智能医疗应用中的研究。文章首先概述了激光诱导石墨烯（LIG）的制备方法、基本特性及其在柔性皮肤电子设备开发中采用的标准调控策略。接着介绍了多种LIGS²E的设计及其在智能医疗领域的广泛应用，包括生物物理和生物化学传感器、生物驱动器以及电源系统。文章的最后部分探讨了LIGS²E在医疗环境实际应用中可能面临的挑战，并提供了对未来研究和发展方向的见解。通过详细阐述LIGS²E的性能及局限性，本综述旨在促进智能医疗技术的发展。

文章简介

作为人体最大的器官，皮肤提供了丰富的可用于健康管理的生理信息指标。目前大多数用于检测这些指标的临床设备存在成本高、体积大、舒适度低和监测不连续等不足。为解决这些问题，研究人员开发出各种柔性皮肤电子设备，这些设备具有经济高效、小型化、高舒适度和连续检测能力等特点。然而，大多数柔性皮肤电子设备的制造过程复杂，需要昂贵的生产平台和洁净室环境。这个制造过程增加了经济成本并阻碍了智能医疗的广泛应用推广。

激光刻蚀策略在柔性皮肤电子设备的制造过程中展示出了显著优势，因为它能够一步加工且无需洁净室，同时因其精确的可编程特性，它在均匀性和重复性方面表现出优越的性能。多种柔性皮肤电子设备都能通过激光技术制造出来，比如金属纳米材料的激光烧结、导电聚合物的激光加工和功能材料的激光生成。利用聚酰亚胺（PI）薄膜进行激光刻蚀可以生产多孔石墨烯，也就是激光诱导石墨烯（LIG）。该制作过程可以在常规环境条件下完成，处理方法环保且产生的废料极少，因此激发了研究人员制造各种基于LIG的柔性设备，以满足广泛应用的需求，其中包括柔性传感器、射频电路、功能表面结构、储能系统、软体机器人等。

本综述主要讨论了基于LIG的柔性皮肤电子设备（LIGS²E）在人体健康管理中的最新进展，重点关注其工程设计策略和智能应用，最后讨论了LIGS²E在智能医疗中面临的潜在挑战以及未来的发展前景。

图1. 用于智能医疗的LIGS2E。多孔激光诱导石墨烯（LIG）以三个主要角色（S，sensing element-传感元件；E，electrode-电极；C，conductor-导体）广泛用于开发各种柔性皮肤集成电子设备（生物物理传感器、生物化学传感器、生物驱动器和电源）以支持智能医疗。LIGS2E：基于LIG的柔性皮肤电子设备；LIG：激光诱导石墨烯。

图2. 激光诱导石墨烯（LIG）在柔性皮肤电子设备中的制备和调控策略。

图3. 激光诱导石墨烯（LIG）的导电性增强策略。

图4. 激光诱导石墨烯（LIG）的延展性增强策略。

图5. 激光诱导石墨烯（LIG）在柔性皮肤电子设备中的三种主要角色/作用。

图6. 基于激光诱导石墨烯（LIG）的单一传感模态生物物理皮肤电子设备用于健康监测。

图7. 基于激光诱导石墨烯（LIG）的生物物理皮肤电子设备用于电生理监测。

图8. 基于激光诱导石墨烯（LIG）的多模态生物物理皮肤电子设备用于健康监测。

图 9. 面向智能医疗的机器学习协助LIG 生物物理皮肤电子设备。

图10. 基于LIG的单一传感模态生化皮肤电子设备用于智能医疗。

图 11. 基于 LIG 多传感模态生化皮肤电子设备用于智能医疗。

图 12.基于 LIG 的皮肤电子设备可作为生物执行器用于智能医疗。

图13. 基于LIG的柔性TENG和超级电容器是皮肤电子设备电源的主要组成部分。TENG：摩擦纳米发电机。

图 14.用于智能医疗的独立LIGS²E。

展望

文章概述了LIG柔性皮肤电子设备（LIGS²E）的最新发展，包括制备方法、器件调控策略以及在智能医疗中的各种应用。尽管取得了快速且显著的进展，但LIGS²E在智能健康管理的实际应用中仍面临潜在挑战。

首先，LIG及其器件制造还需投入更多关注。尽管LIG的导电性已有所提升，但仍远不及传统电极。因此，必须提升LIG的导电性和均匀性，以推动大规模柔性电子皮肤的开发，并实现与商业化MEMS模块的整合。虽然柔性电子皮肤因其制备方法简便，多模式传感的特点而具有发展前景，但实现传感元件之间的精确解耦和低干扰仍有待解决；其次，智能化程度需要从硬件到软件全面提升。通过集成多种传感模式、无线模块、报警元件、嵌入式算法和物联网（IoT），可以将设备转变为完全独立的智能贴片，从而建立用户与医生/医院之间稳固的远程监控和及时反馈。在软件方面，人工智能（如机器学习、深度学习等）可以促进数据处理和整体性能的提升，进一步推动智能医疗的实现。

为实现柔性皮肤电子设备和智能医疗在临床应用中的目标，必须考虑以下几个关键点：皮肤接口设备应具备舒适性、轻便性和高度集成性；设备的准确性必须与临床“标准”设备进行比对；设备的性能应通过广泛的临床案例进行评估，以提高其实际应用能力。我们相信，随着来自材料/化学、MEMS、力学、生物学和计算机工程等不同学科科学家的不懈努力，这些挑战将得到有效解决。高性能且具成本效益的LIGS²E将为智能医疗带来广阔的前景，尤其是对低收入地区。

通讯作者

马治强，香港城市大学生物医学工程系、香港心脑血管健康工程研究中心博士后。主要从事微机电传感系统、微纳加工、柔性智能器件、健康管理等领域。在Nature, Cell Reports Physical Science等高水平期刊发表学术论文20余篇；获亚洲创新博览会发明奖金奖、中国医疗器械创新创业大赛二等奖、北京市优秀毕业生等荣誉。

邱美孌（Bee Luan Khoo），香港城市大学生物医学工程系副教授。研究方向为多学科技术进行疾病检测、预后评估和疾病异质性表征，包括设计和利用微流控设备进行个性化疾病管理和评估。曾获青年研究者国家资助奖、《麻省理工科技评论》创新35人、星际计划青年研究者奖、CENG杰出教学奖、日内瓦国际发明展览金奖等荣誉。在Nature, Science Advances等顶级期刊上发表了60余篇文章, 申请/授权专利10余项。

基金支持

本研究项目得到了香港城市大学的支持，并由研究资助局 (RGC)和创新科技署（ITC）- 研究人才中心（RTH）资助，部分由香港心脑血管健康工程研究中心 (COCHE) 的创新香港研发平台（InnoHK） 资助。

引用此文

Ma Z, Khoo BL. Recent advances in laser-induced-graphene-based soft skin electronics for intelligent healthcare. Soft Sci 2024;4:26. http://dx.doi.org/10.20517/ss.2024.20