混合材料推动可穿戴设备的发展

可穿戴设备为监控患者和疾病诊断是通过对医生提供的连续数据提供医学的显着进展。然而，该部门面临着一系列挑战，因为它努力提供具有成本效益，患者友好的产品。核心是材料选择，患者合规性和较小侵入性设备的开发。

生物医学美国西北大学(Northwestern University)的工程专家们在开发更小、更精确、无线以及无需电池的设备方面越来越有声誉，这些设备可以持续监测患者的血流、血压、血液氧合、体温和心跳。

但要创建更便宜，可扩展的设备，意味着折衷与现有技术的鸠尾新材料。这涉及拥抱现有的刚性硅 - 晶片样式，并将它们调整成更软的格式，为具有成本效益的制造潜力铺平道路。

患者可顺应

西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科Louis Simpson和Kimberly Querrey教授John Rogers仍然敏锐地意识到，患者界面和依从性是至关重要的。他说:“作为工程师，我们努力在设计和材料选择上让设备在物理上不被用户察觉。”“如果该设备对皮肤界面产生任何刺激或不适，大多数患者都不会使用它。你可以开发出一种具有惊人测量能力的奇妙设备，但如果患者不能或不愿使用它，那么它就毫无意义。”

设备需要变得更柔软、更轻、更薄、更小，这使得它们几乎不引人注意，消除任何对皮肤的刺激仍然是一个巨大的挑战。目前的电子产品是以硅片为基础的，虽然硅片是“伟大的材料技术”，但它很脆弱，不易固定在身体上。

“我们需要表单因素的根本变化，以允许与皮肤亲密，持久的身体接触，”罗杰斯教授说。“皮肤可以作为一个优异的测量窗口进入一系列潜在的身体过程。皮肤界面可以生成医生理解和可以采取行动的数据流。皮肤不仅柔软，它非常敏感，灵活。所以坐在皮肤上的装置必须弯曲和移动和变形，没有约束或滑动。“

混合材料

病人胸部的监测装置。

资料来源：西北大学

已经见过材料科学家们从基于硅晶圆的电子产品移动，探索基于塑料的电子和基于聚合物的导体，同时占制造基础设施的实际考虑。

随着硅电子技术的发展，现在的趋势是使用现有的技术并重新构建它，以生产出具有生物相容性力学的设备。解决方案是:“我们混合搭配不同类型的材料，”罗杰斯教授解释说。“我们使用硅和相关的化合物半导体来支持电子设备，但我们在开放网格结构中构建这些材料。我们还将所有材料嵌入到柔软的有机硅弹性体中，将坚硬的材料与柔软的柔性材料混合在一起。这种类型的方案可以利用已经服务于消费电子设备行业的制造技术的复杂性和工程选项，实现高性能操作，但在某种程度上进行了改造，生产出更适合皮肤的设备。”

提供更柔软，柔性的柔性材料，患者对现有制造业的成本效益不太抗拒。

可部署的结果

他认为，该结果提供了“今天可部署和未来可扩展的成果”，并使低收入和中等收入国家(LMICs)能够获得此类技术。

西北部的查询辛普森生物化学研究所汇集了工程和医疗社区，开发这种排序的新技术，以改善患者护理并降低成本，以便在资源丰富的环境中有效地部署，并在LMIC中有效地部署。生物医学，材料科学和电气工程师，与非政府组织和组织密切合作，如账单和梅林达盖茨基金会，拯救儿童慈善机构推进这项技术。

埃文斯顿的主校区作为工程活动的中心，加上芝加哥主要医疗中心的实验室，该部门正在进行心脏病学、神经学、新生儿学、儿科、肾病学和皮肤学等领域的设备试验。心力衰竭、心肌病和冠状动脉疾病患者以及中风幸存者也受益于这种监测。

他补充说:“与医生和护士的密切合作有助于我们了解目前护理中哪些需求未得到满足，并就设备的运行情况提供反馈。”这些设备主要是一种微创的电子平台，类似于皮肤上的创可贴，包含一系列光电探测器和发光二极管，用于监控患者数据。

支持弱势患者

特别强调的是在两个极端的脆弱病人的工作:新生儿小儿科健康和老年患者。他说，新生儿是因为皮肤的敏感性和小肢和肌肉的主要挑战。“我们已经为那种患者开发了我们最先进的平台，”他解释道。

这种创可贴式的设备应用于解剖学的相关部位，无需电池，使用无线电源和数据传输，使用电缆的“原始和限制性技术”，使母亲和孩子之间的关键皮肤接触得以继续。

由于低收入和中等收入国家的分娩死亡率很高，这些设备在芝加哥的医院进行了试点，并已在赞比亚、加纳和肯尼亚等资源有限的国家应用，这些设备使用无线设备测量母亲、胎儿和出生后新生儿的心脏健康。

随着心脏监测，胸部上的小型设备和另一个小型的手柄或脚 - 即使在婴儿，也可以测量循环行为，体内核心和周边之间的温度差异，血氧化和与血流动力学相关的其他参数之间的差异。

最近在赞比亚的一项研究，由盖茨基金会资助，评估了在出生期间487名母亲和胎儿的心脏健康的无线监测。

具有成本效益的技术

这就是成本效益，以及利用现有技术和基础设施的价值最明显的地方。智能手机可以用作监视器，还可以将充电设备上的数据上传到云端。西北大学的研究团队(与乔治华盛顿大学合作)也在开发先进的外科工具和植入物，用于监测lmc患者出生时的心脏健康。

一种新型的医疗仪器，配备了先进的软电子设备，将柔性电极传感器矩阵应用于用于微创手术或消融的气囊导管系统。内部和外部设备应用的基础是需要获取高质量、多模式、连续的数据，这些关键信息使医生能够诊断和治疗患者，导致更好的临床结果。

约翰·罗杰斯，芝加哥西北大学教授。

简介:
约翰·罗杰斯是芝加哥西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授。他的研究重点是纳米和分子尺度的制造、软材料的特性、生物启发和生物集成技术、皮肤可穿戴设备和电子植入，目的是更好地理解“软”材料的特性及其在设备中使用的电子和光子响应。

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