电子皮肤-可伸缩的声泳电子面膜
经皮给药在医学治疗中做出了重要贡献，常规加速给药的方式有离子导入、超声导入、微针等。超声导入是超声用于药物进入或是通过皮肤，如甘油。超声导入法相比离子导入可以在更大范围内提高皮肤的渗透性，不会对活细胞造成刺激或毒性，也不会引起严重的皮肤疼痛。然而，它们是侵入性的，这引起了对安全性和无菌性的额外考虑声波电泳包括低频声波电泳(LFS)和高频声波电泳(HFS)。将超声电泳技术应用于人类面部保健是很有前景的，基于声泳技术开发可穿戴式面部保健电子设备面临几个挑战，首先探头与面部皮肤之间的完美适形拟合至关重要，其次个人长时间使用，需要腾出手做其他的事，最后人脸面积大、表面复杂造成巨大的技术挑战。
中国科学院力学所Yewang Su课题组提出了一种可伸缩电子面膜(SEFM)概念。声波电泳(压电阵列)的功能组件被集成在平台上，以促进药物传递，设计了压电元件的单面结构，设计了由两个平面半面部分连接的硅酮层，封装的单面软压(SSSP)技术，采用了有机-无机复合结构的设计，以及具有细长截面的四柱设计，同时其他药物也可以通过SEFM穿透皮肤，达到好的治疗效果。
显示了使用SEFM进行声泳法的方法，该方法与人脸相似，并带有耳钩，SEFM是一种夹层结构，由可伸缩的岛桥网状电路与压电阵列组成，用于超声激励，外部和内部可伸缩的硅胶层分别封装为白色和透明。图e和图f分别是由Cu/PI/Cu/焊料/极化锆钛酸铅(PZT)/焊料/Cu/PI/Cu多层结构组成的放大岛桥网状电路和压电组件的斜视图。图g说明了SEFM声泳的潜在机制。超声的空化作用使角质层角质细胞间的空腔内产生气泡，振荡的空化气泡引起角质层脂质双层的紊乱，实现了皮肤通透性的增加。
通过刻蚀，激光切割等操作对可伸缩的SEFM岛桥网状电路进行制作。考虑到人脸的实际形状，用于封装的外部用硅胶层设计。封装由具有半面平面部分的两个分离的硅胶层组成。当外层硅胶层折叠成平面状态时，可进行半面半面的封装操作。有限元分析表明两种状态之间的最大应变变化很小。为了保持封装的SEFM的低刚度，采用单面软压(SSSP)技术进行封装，以实现理想状态。岛桥网状结构被内外硅胶层夹住，中间填充液体粘合剂。图f显示了厚软弹性体之间的相互作用，岛桥网状结构，粘合剂以及封装层。
所制备的用于声泳的SEFM可以承受较大的变形，如拉伸、弯曲和扭转，这种特殊的机械性能主要是由于单侧结构的设计，互连只位于压电元件的一侧，使其与整个人脸具有保形贴合。另一种双面结构的设计使得双侧结构的最大主应变为0.6%，而单侧结构的最大主应变仅为0.1%。分别研究了人体皮肤相对弯曲和拉伸刚度与弯曲曲率和施加应变的关系，单面结构的两种刚度都比双面结构的要低得多，而这两种刚度都是人体皮肤的数量级，体现了单面设计的优越性。由于涉及到Cu/PI有机-无机复合结构，从拉伸力和相对阻力随外加应变的变化曲线可以看出，复合材料结构的破坏应变(>25%)远大于单层Cu(~ 1.5%)，因此复合材料结构具有良好的拉伸性能。由有限元分析可知，SEFM中Cu/PI/Cu复合结构蛇形互连的最大应变即使在单轴拉伸到50%的施加应变时也远低于其延性，证实了大变形下的安全性。在环境温度为30℃时，在输入功率为6 W的情况下，半面SEFM的温度分布表明应用SEFM时没有严重的热舒适问题。
实验给出了谐振频率与厚度支柱之间的关系，1 MHz的频率已被证明是有效的声泳法，1兆赫兹压电元件是首选的SEFM。对频率进行优化设计。在给定一维谐振频率的激励下，压电柱的振动模式随截面面积的变化而变化。振动模式的压电柱0.1×0.1平方毫米和1.0×1.0平方毫米截面接近一维纵向振动,而振动模式的10×10平方毫米不规则。还比较了两柱设计和四柱设计的声强分布，当一个振幅为22.5 V的励磁电压应用于每个压电柱,四柱设计的声强分布更均匀，在频率偏差为±20 kHz的情况下，四柱设计谐振频率附近的总功率保持在峰值的80%，表明压电元件的性能具有稳健性。在制作SEFM之前对单个压电柱的谐振性能进行了实验测试。测试的阻抗|Z|随压电柱频率的变化曲线，得出的谐振频率为1.1 MHz，与一维理论的结果接近。SEFM向水滴发射超声波，在断电状态下，整个水滴保持半球形，而在通电状态下，水滴变细并反复跳跃。为了确认SEFM确实能发出功率大小为每平方公尺的超声波，测量了深度为8 mm处的声场，并与有限元结果进行了比较，实测声强的最大值为1.134 W/cm2，达到有限元分析结果最大值的76%。
用SEFM对大鼠进行透皮给药。透明质酸作为一种优良的保湿成分被广泛应用于面部保健，用罗丹明标记的HA在不同皮肤深度的测量。对对照组(32个样本)与超声组(32个样本)进行不同皮肤深度的荧光亮度比较，超声组在10 min后的平均亮度显著高于对照组，说明SEFM可以显著增强HA的透皮传递。为了验证SEFM的耐用性，还添加了加热组，以阐明SEFM的机理是否基于热效应，经过2000次释张力循环后，SEFM促进HA透皮传递的效果仍然很好，优于对照组和热组。统计结果显示，在不同深度，“t”值远大于“1”，“P”值小于“0.05”，说明在不同深度，热组与超声组差异有统计学意义。在深度为15 ~ 30 μm时，差异不显著，其亮度与背景亮度接近。这一试验证明了SEFM的潜在机理不仅仅是热效应。通过将皮肤切片观察三组HA的传递情况，超声组示罗丹明标记的HA(红色)比对照组和热组传得更深。研究SEFM对成纤维细胞的生物相容性，在与SEFM共培养1、3和5天后，结果表明，成纤维细胞基本是活的，表明良好的生物相容性。进一步检测超声处理是否造成皮肤损伤，分别选择对照组和超声组背部两侧皮肤，用4%多聚甲醛(PFA)固定，石蜡包埋，切成9 μm厚度的切片，苏木精红染色观察，结果表明超声处理后的大鼠皮肤表皮和真皮层保持完整，SEFM经皮给药的有效性和安全性。测量人面部皮肤的水分含量，间接检测SEFM对HA透皮传递的影响，一种由透明质酸和水组成的商业药物口罩被放置在人的脸上，然后将SEFM放置在上面，并以适形方式放入。超声组经皮给药后不同时间的皮肤含水率增量均高于对照组，超声组与对照组的皮肤含水率平均值相对增量达20%。
作者提出了一种新概念的SEFM，可以与各种传感器和执行器集成，超声电泳的功能部件被集成在平台上，以促进经皮给药。同时它的高效地电路设计和结构设计使得它拥有优异地力学，热和压电性能，也显示出了开发的SEFM在面部保健应用方面的巨大潜力。
【参考文献】
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11181
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