現在最新的皮膚上電子設備經常遭受昂貴的前體材料，昂貴的制造設備，復雜的制造過程以及有限的可處置性的困擾。如，目前皮膚上電子設備的成熟制造過程通常與旋涂，光刻，真空沉積和干/濕蝕刻有關，這些都是復雜、耗時和昂貴的；3D打印技術可以實現柔性設備的簡單且可擴展的制造，但通常會遭受昂貴的設備，墨水配方中繁瑣的工作以及復雜的后打印過程的困擾。另外，還有面臨電子垃圾的不可降解性的問題。昂貴的前體材料，昂貴的制造設備和復雜的制造工藝削弱了它們的潛力。
既然現有的材料這么貴和難以降解，有沒有更便宜和又方便降解的材料呢？
科學家們想到了紙筆！
我們先來動圖感覺下它有多酷炫：
帶有LED和電池的鉛筆紙電路
EMG記錄
水溶解性
我們知道，紙已有2000多年的歷史，它可在6周內完全分解。此外，與聚對苯二甲酸乙二醇酯（≈2美分dm-2）和聚酰亞胺（≈30美分dm-2）等聚合物基材相比，紙是最便宜的材料之一（0.1美分dm-2）。此外，它們的高柔韌性和透氣性可以使它們在皮膚電子產品中的應用受益。
鉛筆是16世紀發明的，鉛筆芯由精細的石墨粉和各種添加劑組成，根據這些鉛筆，鉛筆分為“ H”和“ B”類。H和B分別指硬度和黑色度。在書寫周期中，由于鉛筆芯和粗糙且多孔的紙質基材之間的摩擦，石墨顆粒被擦去，其中導電性石墨薄片被轉移到紙張上。
圖整理自網絡
盡管它們在超級電容器和應變儀中的應用近來取得了進展，但基于鉛筆紙的皮膚電子設備可以長期粘附在人體上，以高保真的方式記錄重要的生物物理和生化信號，從而收集能量仍然缺乏環境濕度和程序化的物理和化學干預措施。
鑒于此，美國密蘇里大學哥倫比亞分校閆政教授課題組探索了使用商用9B鉛筆在常用辦公復印紙上繪制的各種生物電子設備的鉛筆圖。相關成果以題為“Pencil–paperon-skin electronics”發表于國際頂刊雜志PNAS上。
在這里，高石墨含量可以在紙上繪制高電導率圖案，此處使用的9B鉛筆的石墨粉含量約為93％，研究人員特別發現，含有93％石墨的鉛筆是制造在商用辦公復印紙上繪制的各種皮膚上生物電子設備的最佳選擇。通過石墨圖案用作導電跡線和感應電極，紙用作柔性支撐基板以及環境濕度能量收集器的基礎材料。此外，將微量的粘合劑材料噴涂到鉛筆-紙皮膚電子產品的裸露區域，改善皮膚設備的附著力。
示意圖
研究人員通過用鉛筆畫出表面網狀、蛇形布局的皮膚生物電子設備典型光學圖像，包括溫度傳感器，電生理（即生物電勢）傳感器，電化學汗液傳感器，焦耳加熱元件和環境濕度能量收集器。這些電路不簡單，因為它們具有以下多種功能：
1）以實時，連續和高保真的方式記錄來自人體的各種重要生物物理信息[包括皮膚溫度、心電圖（ECG）、肌電圖（EMG）、α、β和θ節律、瞬時心率和呼吸頻率]，以及提供程序化的熱刺激；
圖|鉛筆紙皮膚生物物理傳感器和熱刺激器的人體評估
圖|通過實時腦電記錄監測大腦活動
2）原位汗液生化分析以及生物物理信號的實時測量可以提供人類健康狀況的動態和完整信息。本文開發的基于鉛筆紙的汗液pH，UA和葡萄糖傳感器能以高靈敏度和高選擇性就地分析三種概念驗證的汗液生物標志物，包括pH，尿酸（UA）和葡萄糖。值得注意的是，記錄的信號質量與用傳統方法測量的信號質量相當。
圖|基于鉛筆紙的pH，UA和葡萄糖傳感器的表征和排汗分析
3）在超過2小時的時間內，每單位（0.87 cm2）產生高達480 mV的持續電壓，表明其性能與最近開發的由先進功能材料（例如氧化石墨烯，聚電解質膜）制成的濕度能量收集器相當。
另外，作為皮膚化學干預的一個例子，開發了一種自供電（利用環境濕度發電）的透皮藥物遞送系統：基于泊洛沙姆407的水凝膠被用作藥物載體，而陽離子羅丹明B染料被用作模型藥物。在豬皮上證實了透皮給藥。在這項研究中，該設備與八個并聯的能量收集單元組合在一起，用于在?95％的相對濕度下為離子電滲療法提供刺激電。如熒光圖像所示，通過離子電滲療法，模型藥物已沿著電流流動方向成功地從水凝膠傳輸到豬皮膚。
此外，還研究了基于鉛筆紙的天線，帶有LED和電池的2D / 3D電路，可生物降解的電子產品（基于水溶性紙）和可重新組裝的組件。
圖|鉛筆紙的濕式能量收集器的特性分析和自供電式皮膚上透皮藥物傳遞系統的演示
小結：
通過使用廣泛使用的鉛筆和紙作為工具，開發了各種具有成本效益的一次性皮膚電子設備，從生物物理傳感器和汗液生化傳感器到熱刺激器，濕度能量收集器和透皮藥物輸送系統。此外，還演示了基于鉛筆紙的天線，二維和三維電路以及可重構結構。啟用的設備因其低成本的資源，便捷的操作，節省時間的制造以及豐富的潛在設計而可以找到廣泛的應用，特別是在資源匱乏的環境和以居家為中心的個人醫療保健中。
寫在最后:
科學家的奇思妙想，是不是來源于小時候聽到的童話故事呢？科研中保持童真去發現不一樣，你我也有神筆！
參考文獻：
YadongXu, et al., Pencil–paper on-skin electronics. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences (2020).
DOI:10.1073/pnas.2008422117
https://doi.org/10.1073/pnas.2008422117
