经过近1年时间的共同研究，浙江大学一支由信电系、高分子系、医学院、计算机学院学科教授组成的合作团队完成了一项新型技术，将电子系统与组织再生系统融合，发明出一种具有感知生成、实时监控和调节皮肤修复过程能力，且能较好地融入生物体的人造电子皮肤系统。
    
    这一人造电子皮肤系统结合了组织再生材料和柔性电子器件的优势，既具备现有电子皮肤系统的感知能力，又通过组织再生材料很好地融入生物体。可监控皮肤再生过程中温度、湿度、生长因子等多种生理信号的变化，从而对伤口恢复过程进行实时监控，可提高诊断和治疗时效性，减少伤口二次损伤和感染，对皮肤的再生具有重要意义。同时，通过上述手段能够实时原位的检测皮肤生长过程，有助于建立皮肤生长模型，了解皮肤修复机理。
    
    皮肤是人体与外界之间的屏障，同时，皮肤还具有调节体温，感知触觉，维持体内水分和电解质平衡的功能。然而，由于皮肤组织时刻与外部环境直接接触，可能受到的损伤也就最直接，其中烧伤、机械创伤以及慢性疾病导致溃疡是造成皮肤缺损及功能丧失的主要原因。全国每年需要进行皮肤移植的病例大约在300万人次以上，而依靠自体皮移植往往存在供皮部位不足等问题。近年来，皮肤再生技术的研究已是组织工程和再生医学领域的研究热点。
    
    什么是电子皮肤？
    
    电子皮肤系统是一种新型柔性可延展传感系统，通过将传感器和电路制作在柔性基底从而获得独特延展性，且可感知各种物理、化学以及生物信号，是柔性电子领域的研究热点。国内外已有一批有代表性的电子皮肤系统，如伊利诺大学香槟分校发明的电子刺青系统，东京大学2003年推出了全球最早的触感电子皮肤,剑桥大学在弹性硅胶基底上制造了具有较好生物相容性的电子皮肤，我国中科院纳米所于2012年研发了高灵敏的触感电子皮肤，可感知毫克级的压力变化。上述电子皮肤的各种实现方式为刻画生物体的“感觉”提供了一些可能的途径，但并未能真正与生物体结合。如何将电子皮肤与生物体进一步结合成为当前该领域研究者探索的重要方向。
    
    
    图1：人造电子皮肤系统
    
    软电子交叉课题组研制成功的这种人造电子皮肤系统，已先后在大鼠和巴马小型猪上开展了动物实验，验证了其三个重要功能：1. 促进真皮组织生长和皮肤再生；2. 实现皮肤生长过程的监护和控制；3. 根据监控信息实现对伤口状况的判断。该人造电子皮肤系统可在伤口恢复初期植入伤口表面，实时监控愈合过程。随着伤口逐渐愈合，再生材料被不断吸收，电子器件部分自然从伤口剥离。这一成果在现有国内外相关文献中未见报道，是首例生物-电子融合的人造电子皮肤系统。
    
    如何促进真皮组织生长和皮肤再生？
    
    浙江大学高长有、马列等老师通过对皮肤双层结构的仿生模拟，研制了一种胶原—壳聚糖／硅橡胶皮肤再生材料。该皮肤诱导再生材料的多孔支架层以细胞外基质(ECM)主要成分—胶原为原料，同时添加具有良好抗菌、促进伤口愈合以及促进上皮细胞生长性能的天然生物材料——壳聚糖，起到诱导真皮再生的作用。硅橡胶层则作为临时表皮层起到隔离外界环境、避免细菌侵入及防止水分蒸发的作用。该皮肤诱导再生材料具有原位使用、原位诱导、避免种子细胞使用的局限性和安全隐患等特点。该皮肤诱导再生材料在细胞毒性、致敏性、刺激性、热原性、溶血率、遗传毒性以及亚慢性毒性等7个指标均达到国家三类医疗器械的标准，具有良好的生物安全性。
    
    
    图2：胶原—壳聚糖／硅橡胶皮肤再生材料
    
    如何实现皮肤生长过程的监护和控制？
    
    皮肤在生长过程中，若能监控皮肤生长实时状况，则便于“对症施治”。对皮肤损伤病人而言，打开伤口包扎查看会造成二次伤害和二次感染，极大影响伤口恢复的过程，若能植入电子系统进行伤口原位实时监控，则会极大改善这一状况。这就需要植入伤口的电子系统需要具有柔软可延展变形、生物相容性等特点，以适应皮肤生长的需求。信电系董树荣、汪小知、郭维、金浩等老师研制出了基于PDMS的可延展无线监控系统（图3）。该系统在人造皮肤上布设了柔性的电路系统，包括中央处理器、蓝牙模块以及众多传感器，包括温度、湿度、压力、皮肤阻抗、血氧和ECG肌电传感器等，用于监控皮肤生长。同时，还加装了一些辅助治疗手段和柔性治疗电路，实现及时的无创治疗，例如通过热控制脂包覆药物缓释杀菌，热敷促进组织生长、冷敷及紫外杀菌消炎、电刺激真皮神经生长等。
    
    
    图3 基于PDMS的可延展无线监控系统
    
    如何根据监控信息实现对伤口的诊断？
    
    计算机系李石坚老师根据皮肤生长过程传感数据，包括温度、压力、皮肤阻抗、血氧变化以及心电信号等进行数据挖掘，建立起人造皮肤生长模型。据此可根据伤口感知数据，通过蓝牙与手机通讯，借助云端计算，实时原位的诊断伤口状态是“正常”、“炎症程度”还是“生长程度”, 判断并实现辅助治疗。这一结果被集成到一个手机APP应用软件中，用户可通过此软件监控伤口状况，并控制植入系统工作（图4）。
    
    
    图4 伤口监控及辅助治
    
    如何模拟人工皮肤的感觉？
    
    信电系的汪小知老师和董树荣老师致力于为类皮肤材料开发人类皮肤的四种感觉：触觉、压觉、温觉和痛觉。在高分辨率多感觉电子皮肤的研究上取得了突破。利用碳纳米管等材料制作的大面积电子皮肤，可以在微米级别分辨出最低55帕的触觉压力，同时还能对压力分级从而区分触觉、压觉和痛觉。在此基础上，利用模式识别等数据处理方法，实现了温觉的同步检测。现有的电子皮肤甚至能像人类皮肤一样通过多点信号，复原出完整的三维形变（图5）。
    
    
    
    图5 对不同感觉的高分辨率定位、识别和复原
    
    （焦协中）