皮肤彩绘电子纹身或将成为可穿戴生物传感器的未来

宾夕法尼亚州立大学的科学家们开发出一种新型导电油墨，可以直接以彩色自定义图案的形式涂绘在皮肤上，干燥后即可转变为用于生物监测的功能性电极。相关研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

据此前报道，通过临时纹身将电子器件贴附于皮肤的表皮电子技术（即"电子纹身"）已问世逾十年。这类电子纹身无需粘合剂即可与皮肤连接，几乎难以察觉，通常通过临时纹身方式贴附，借助内嵌电路元件的超薄聚合物实现电信号及温度、形变等多种参数的测量。

然而，现有电子纹身存在明显局限：在弯曲或多毛的体表区域效果不佳，且由于生物信号在空间上呈分布式特征，覆盖较大面积时需要个性化的电极布局设计。为此，研究人员不断探索创新方案。例如，2024年有团队研发出一种特殊的聚合物导电油墨，可直接印制在头皮上采集脑电波，即便受试者有头发也不影响效果，有望未来实现院外移动脑电监测等多种应用场景。

宾夕法尼亚州立大学机械工程师、上述PNAS论文共同作者郑拉里（Larry Cheng）从事生物监测应用电极设计研究已逾十年，涵盖脑电图（EEG）、心电图（ECG）及肌电图（EMG）等领域。刚性材料（如金属）虽能提供稳定的生物监测性能，但在运动等剧烈活动中容易脱落。近年来，水凝胶作为替代材料逐渐受到关注，因其能够吸水膨胀并随皮肤拉伸形变，但水凝胶降解速度较快，长时间使用后上述优势会逐渐丧失。

汗液或毛发同样会降低生物信号的采集精度。这是因为商用电极为预制成品，贴附在皮肤上后会形成气隙，削弱传感器的读数质量。郑拉里团队决定研发一种导电油墨来解决这一问题。他们将多种聚合物与酸性添加剂混合于乙醇/聚乙烯醇水溶液中，以PEDOT:PSS（即聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐）提供导电性，并加入DBSA（4-十二烷基苯磺酸）作为增塑剂，赋予油墨柔韧性。

团队将这款新型导电油墨简称为WE-PPD。"这种油墨的使用感很像脸部彩绘颜料，"郑拉里介绍道，"初始状态近乎透明，但可以加入食用色素调配成所需颜色，绘制任意图案——比如卡通形象或超人标志——从而实现完全个性化定制。"由于油墨能填充皮肤的微观纹理，所形成的电极与皮肤的贴合度极高，信号采集效果更佳。此外，该油墨还可与多孔银质纹理结合，并与刚性器件集成。

研究团队在实验室中对人体受试者进行了多项测试，包括：在跑步机上跑步和举重时的心脏活动监测；用于控制假肢机械手的手势识别；以及受试者日常活动中透过头发进行的脑电图（EEG）监测。实验结果显示，该涂绘式电极在断裂前可承受高达170%的拉伸形变，透水蒸气性能远优于标准医用薄膜，且长时间使用不会引起皮肤刺激。

"尽管我们测试了12小时的日常使用场景，但这并非这款电极的使用上限，"郑拉里表示，"电极本身可以洗掉并重新涂绘。这项技术背后的核心理念是：未来有望将成本较高的传感模块与电极部分分离，而电极本身可作为耗材使用。一瓶油墨所含材料，足以在数天乃至一周内多次涂绘电极。"

目前，团队已就该导电油墨申请临时专利，但技术仍存在一定局限。尽管其不产生成像伪影的特性在MRI成像方面颇具潜力，但作者指出，在临床部署前仍需进行全面的安全性评估，射频感应加热问题尤为值得关注，这与传感器的超强贴附特性密切相关。这将是未来研究的重点方向之一。此外，团队还计划探索将该技术拓展至植物健康监测领域，因为涂绘式传感器对复杂形状的贴合能力同样出色。

Q&A

Q1：WE-PPD导电油墨是什么材料做的？为什么能贴合皮肤？

A：WE-PPD导电油墨由多种聚合物与酸性添加剂混合于乙醇/聚乙烯醇水溶液中制成，其中PEDOT:PSS提供导电性，DBSA作为增塑剂赋予油墨柔韧性。由于油墨是直接涂绘在皮肤上的液态材料，能填充皮肤的微观纹理，干燥后与皮肤形成高度贴合的电极，不产生气隙，因此信号采集精度更高，同时可拉伸至170%而不断裂，透气性也优于标准医用薄膜。

Q2：WE-PPD电子纹身电极能用多久？用完怎么处理？

A：根据研究团队的测试，WE-PPD电极经过12小时日常使用后仍表现良好，但这并非其使用上限。电极本身可用水洗掉后重新涂绘，团队设想未来将昂贵的传感模块与电极分离，电极作为低成本耗材使用。一瓶导电油墨所含材料估计可在数天至一周内多次涂绘电极，具有较高的经济性。

Q3：WE-PPD涂绘式传感器目前能用于哪些生物信号监测？

A：研究团队已在实验室中完成多项人体测试，包括：运动中（跑步、举重）的心电图（ECG）监测、用于控制假肢机械手的手势识别（肌电信号），以及透过头发采集的脑电图（EEG）监测。未来还计划拓展至MRI兼容应用及植物健康监测领域，但临床部署前仍需完成射频感应加热等安全性评估。

Ars TechnicaLarry ChengWE-PPD宾夕法尼亚州立大学