經(jīng)過近1年時間的共同研究，浙江大學一支由信電系、高分子系、醫(yī)學院、計算機學院學科教授組成的合作團隊完成了一項新型技術，將電子系統(tǒng)與組織再生系統(tǒng)融合，發(fā)明出一種具有感知生成、實時監(jiān)控和調節(jié)皮膚修復過程能力，且能較好地融入生物體的人造電子皮膚系統(tǒng)。
    
    這一人造電子皮膚系統(tǒng)結合了組織再生材料和柔性電子器件的優(yōu)勢，既具備現(xiàn)有電子皮膚系統(tǒng)的感知能力，又通過組織再生材料很好地融入生物體?？杀O(jiān)控皮膚再生過程中溫度、濕度、生長因子等多種生理信號的變化，從而對傷口恢復過程進行實時監(jiān)控，可提高診斷和治療時效性，減少傷口二次損傷和感染，對皮膚的再生具有重要意義。同時，通過上述手段能夠實時原位的檢測皮膚生長過程，有助于建立皮膚生長模型，了解皮膚修復機理。
    
    皮膚是人體與外界之間的屏障，同時，皮膚還具有調節(jié)體溫，感知觸覺，維持體內水分和電解質平衡的功能。然而，由于皮膚組織時刻與外部環(huán)境直接接觸，可能受到的損傷也就最直接，其中燒傷、機械創(chuàng)傷以及慢性疾病導致潰瘍是造成皮膚缺損及功能喪失的主要原因。全國每年需要進行皮膚移植的病例大約在300萬人次以上，而依靠自體皮移植往往存在供皮部位不足等問題。近年來，皮膚再生技術的研究已是組織工程和再生醫(yī)學領域的研究熱點。
    
    什么是電子皮膚？
    
    電子皮膚系統(tǒng)是一種新型柔性可延展傳感系統(tǒng)，通過將傳感器和電路制作在柔性基底從而獲得獨特延展性，且可感知各種物理、化學以及生物信號，是柔性電子領域的研究熱點。國內外已有一批有代表性的電子皮膚系統(tǒng)，如伊利諾大學香檳分校發(fā)明的電子刺青系統(tǒng)，東京大學2003年推出了全球最早的觸感電子皮膚,劍橋大學在彈性硅膠基底上制造了具有較好生物相容性的電子皮膚，我國中科院納米所于2012年研發(fā)了高靈敏的觸感電子皮膚，可感知毫克級的壓力變化。上述電子皮膚的各種實現(xiàn)方式為刻畫生物體的“感覺”提供了一些可能的途徑，但并未能真正與生物體結合。如何將電子皮膚與生物體進一步結合成為當前該領域研究者探索的重要方向。
    
    
    圖1：人造電子皮膚系統(tǒng)
    
    軟電子交叉課題組研制成功的這種人造電子皮膚系統(tǒng)，已先后在大鼠和巴馬小型豬上開展了動物實驗，驗證了其三個重要功能：1. 促進真皮組織生長和皮膚再生；2. 實現(xiàn)皮膚生長過程的監(jiān)護和控制；3. 根據(jù)監(jiān)控信息實現(xiàn)對傷口狀況的判斷。該人造電子皮膚系統(tǒng)可在傷口恢復初期植入傷口表面，實時監(jiān)控愈合過程。隨著傷口逐漸愈合，再生材料被不斷吸收，電子器件部分自然從傷口剝離。這一成果在現(xiàn)有國內外相關文獻中未見報道，是首例生物-電子融合的人造電子皮膚系統(tǒng)。
    
    如何促進真皮組織生長和皮膚再生？
    
    浙江大學高長有、馬列等老師通過對皮膚雙層結構的仿生模擬，研制了一種膠原—殼聚糖／硅橡膠皮膚再生材料。該皮膚誘導再生材料的多孔支架層以細胞外基質(ECM)主要成分—膠原為原料，同時添加具有良好抗菌、促進傷口愈合以及促進上皮細胞生長性能的天然生物材料——殼聚糖，起到誘導真皮再生的作用。硅橡膠層則作為臨時表皮層起到隔離外界環(huán)境、避免細菌侵入及防止水分蒸發(fā)的作用。該皮膚誘導再生材料具有原位使用、原位誘導、避免種子細胞使用的局限性和安全隱患等特點。該皮膚誘導再生材料在細胞毒性、致敏性、刺激性、熱原性、溶血率、遺傳毒性以及亞慢性毒性等7個指標均達到國家三類醫(yī)療器械的標準，具有良好的生物安全性。
    
    
    圖2：膠原—殼聚糖／硅橡膠皮膚再生材料
    
    如何實現(xiàn)皮膚生長過程的監(jiān)護和控制？
    
    皮膚在生長過程中，若能監(jiān)控皮膚生長實時狀況，則便于“對癥施治”。對皮膚損傷病人而言，打開傷口包扎查看會造成二次傷害和二次感染，極大影響傷口恢復的過程，若能植入電子系統(tǒng)進行傷口原位實時監(jiān)控，則會極大改善這一狀況。這就需要植入傷口的電子系統(tǒng)需要具有柔軟可延展變形、生物相容性等特點，以適應皮膚生長的需求。信電系董樹榮、汪小知、郭維、金浩等老師研制出了基于PDMS的可延展無線監(jiān)控系統(tǒng)（圖3）。該系統(tǒng)在人造皮膚上布設了柔性的電路系統(tǒng)，包括中央處理器、藍牙模塊以及眾多傳感器，包括溫度、濕度、壓力、皮膚阻抗、血氧和ECG肌電傳感器等，用于監(jiān)控皮膚生長。同時，還加裝了一些輔助治療手段和柔性治療電路，實現(xiàn)及時的無創(chuàng)治療，例如通過熱控制脂包覆藥物緩釋殺菌，熱敷促進組織生長、冷敷及紫外殺菌消炎、電刺激真皮神經(jīng)生長等。
    
    
    圖3 基于PDMS的可延展無線監(jiān)控系統(tǒng)
    
    如何根據(jù)監(jiān)控信息實現(xiàn)對傷口的診斷？
    
    計算機系李石堅老師根據(jù)皮膚生長過程傳感數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、皮膚阻抗、血氧變化以及心電信號等進行數(shù)據(jù)挖掘，建立起人造皮膚生長模型。據(jù)此可根據(jù)傷口感知數(shù)據(jù)，通過藍牙與手機通訊，借助云端計算，實時原位的診斷傷口狀態(tài)是“正常”、“炎癥程度”還是“生長程度”, 判斷并實現(xiàn)輔助治療。這一結果被集成到一個手機APP應用軟件中，用戶可通過此軟件監(jiān)控傷口狀況，并控制植入系統(tǒng)工作（圖4）。
    
    
    圖4 傷口監(jiān)控及輔助治
    
    如何模擬人工皮膚的感覺？
    
    信電系的汪小知老師和董樹榮老師致力于為類皮膚材料開發(fā)人類皮膚的四種感覺：觸覺、壓覺、溫覺和痛覺。在高分辨率多感覺電子皮膚的研究上取得了突破。利用碳納米管等材料制作的大面積電子皮膚，可以在微米級別分辨出最低55帕的觸覺壓力，同時還能對壓力分級從而區(qū)分觸覺、壓覺和痛覺。在此基礎上，利用模式識別等數(shù)據(jù)處理方法，實現(xiàn)了溫覺的同步檢測。現(xiàn)有的電子皮膚甚至能像人類皮膚一樣通過多點信號，復原出完整的三維形變（圖5）。
    
    
    
    圖5 對不同感覺的高分辨率定位、識別和復原
    
    （焦協(xié)中）