基于新興材料和納米架構(gòu)的遠(yuǎn)程醫(yī)療可穿戴傳感器

可穿戴傳感器在遠(yuǎn)程醫(yī)療生理和生化標(biāo)志物傳感方面取得了重大進(jìn)展。通過(guò)監(jiān)測(cè)體溫、動(dòng)脈血氧飽和度、血糖和呼吸頻率等生命體征，可穿戴傳感器為疾病的早期檢測(cè)提供了巨大的潛力。近年來(lái)，基于二維（2D）材料的可穿戴傳感器的開(kāi)發(fā)取得了重大進(jìn)展，使這類傳感器具有柔性，優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，高靈敏度和準(zhǔn)確性，為遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)引入了一種新的方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，布拉格化學(xué)與技術(shù)大學(xué)（University of Chemistry and Technology Prague）在npj Flexible Electronics期刊上發(fā)表了題為“Wearable sensors for telehealth based on emerging materials and nanoarchitectonics”的綜述文章，概述了用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（RHMS）的基于二維材料的可穿戴傳感器和生物傳感器。本文重點(diǎn)介紹了五種類型的可穿戴傳感器，并根據(jù)其傳感機(jī)理進(jìn)行了分類，如壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、電化學(xué)傳感器、光電傳感器和溫度傳感器；概述了二維材料的性能及其對(duì)可穿戴傳感器性能和操作的影響；探討了可穿戴傳感器的基本傳感原理、機(jī)理及其應(yīng)用。本文最后還討論了這一新興遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域存在的障礙和未來(lái)機(jī)遇。

綜述概覽

在本綜述文章中，研究人員概述了過(guò)去四年中開(kāi)發(fā)的基于二維材料的可穿戴傳感器/生物傳感器和概念驗(yàn)證的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。新興的基于二維材料和納米架構(gòu)的可穿戴傳感器為用戶提供了許多優(yōu)勢(shì)，包括體溫、動(dòng)脈氧飽和度、汗液生物標(biāo)志物、呼吸周期、血糖、心率和運(yùn)動(dòng)等生命體征監(jiān)測(cè)，以及早期病毒/流感（即SARS-CoV-2）識(shí)別。研究人員概述了不同的可穿戴傳感器（壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、電化學(xué)傳感器、光電傳感器、溫度傳感器），包括它們的工作原理、檢測(cè)機(jī)制、與電子電路的集成以及在人體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

首先，研究人員描述了一種利用壓力傳感器提供人類健康實(shí)時(shí)信息的集成醫(yī)療保健系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)心率（附著在人體皮膚上）和呼吸周期（安裝在口罩上）。這里描述的可穿戴壓力傳感器在典型環(huán)境下的反復(fù)安裝和拆卸下工作。盡管如此，在實(shí)際應(yīng)用中，壓力傳感器還將接觸到具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件，包括出汗和高濕度，這可能會(huì)影響二維材料的穩(wěn)定性和傳感器的性能。因此，有必要對(duì)人工復(fù)雜環(huán)境下工作穩(wěn)定性背后的機(jī)制進(jìn)行更多的研究。此外，應(yīng)該研究對(duì)二維材料的性能和納米/微米結(jié)構(gòu)影響較小的有效封裝方法。

可穿戴壓力傳感器

接下來(lái)，研究人員將重點(diǎn)放在通過(guò)集成可穿戴壓力傳感器跟蹤人類活動(dòng)上，這種傳感器可以快速識(shí)別人的大動(dòng)作和小動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療保健提供者或用戶的智能手機(jī)上。這包括一系列運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，例如心跳、肌肉疲勞、身體關(guān)節(jié)彎曲、喉結(jié)振動(dòng)和呼吸頻率。然后還討論了用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)的一體化紡織品應(yīng)力傳感器的使用。電阻式應(yīng)變傳感器顯示出優(yōu)異的拉伸性能和靈敏度；然而，由于環(huán)境變化（濕度和溫度變化），它們存在遲滯、應(yīng)變外部范圍的線性差以及不穩(wěn)定性等問(wèn)題。例如，過(guò)渡金屬碳化物（MXenes）在開(kāi)放環(huán)境中會(huì)被氧化，這會(huì)縮短傳感器的保質(zhì)期，并導(dǎo)致一致性、可靠性和可重復(fù)性方面的問(wèn)題。抗氧化劑的使用和改良的MAX相合成工藝有望解決MXenes的穩(wěn)定性問(wèn)題，但這項(xiàng)工作仍限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。此外，在開(kāi)發(fā)能夠檢測(cè)各個(gè)方向和多個(gè)變形平面上的解離應(yīng)變的應(yīng)變傳感器方面也存在困難。為了克服這一限制，需要對(duì)創(chuàng)新的傳感器架構(gòu)和三維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多的研究。

可穿戴應(yīng)變傳感器

然后，研究人員介紹了電化學(xué)生物傳感器，以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)各種生物標(biāo)志物，例如應(yīng)激激素、乳酸、葡萄糖、汗液pH值和唾液中的COVID-19。大多數(shù)生物傳感器僅評(píng)估少數(shù)生物標(biāo)志物。在未來(lái)，需要更多的研究來(lái)開(kāi)發(fā)新的基于二維材料的傳感器，并擴(kuò)展對(duì)傳感的理解，以監(jiān)測(cè)各種生物標(biāo)志物。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，擴(kuò)大可穿戴傳感器的使用需要了解生物流體成分及其與健康和特定疾病狀況的關(guān)系。研究人員還概述了遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用的基于二維材料的可穿戴光電傳感器和溫度傳感器。石墨烯是研究最廣泛的用于溫度傳感器和光電傳感器的二維材料，并已從研究階段發(fā)展到臨床應(yīng)用。然而，其它二維材料，如過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）、黑磷（BP）和MXenes正在迅速填補(bǔ)這一空白。與石墨烯相比，這些材料在帶隙范圍和光電流產(chǎn)生能力方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，使其成為未來(lái)可穿戴光電傳感器開(kāi)發(fā)的潛在候選材料。

可穿戴光電、電化學(xué)和溫度傳感器/生物傳感器

研究人員預(yù)計(jì)，基于二維材料的可穿戴傳感器將成為醫(yī)療保健行業(yè)的一個(gè)新的傳感平臺(tái)。要證明基于二維材料的可穿戴傳感器和生物傳感器在所有關(guān)鍵性能上都能“擊敗”商用傳感器，仍然存在重大挑戰(zhàn)。除了可穿戴傳感器的價(jià)格之外，還必須徹底解決一些挑戰(zhàn)，例如柔性電源（或自供電）的必要性、二維材料的穩(wěn)定性和大規(guī)模生產(chǎn)、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的隱私性等。目前大部分工作都集中在氧化石墨烯、Ti3C2Tx和BP；然而，仍有許多可行的二維材料需要研究。

此外，通過(guò)可穿戴傳感器/生物傳感器和大數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)的RHMS在為用戶提供實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)信息和診斷工具方面具有巨大的前景。未來(lái)研究如何提高基于二維材料的可穿戴傳感器的傳感精度，可以拓寬其適用性。接下來(lái)，研究人員建議鼓勵(lì)未來(lái)在可穿戴傳感器和遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域的研究和應(yīng)用：（i）必須開(kāi)發(fā)低成本的工業(yè)規(guī)模制造技術(shù)；（ii）建立基于人工智能（Al）的自動(dòng)化決策系統(tǒng)（Al與RHMS集成），監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)檢查患者的既往病史，以幫助醫(yī)療保健提供者快速識(shí)別異常；（iii）創(chuàng)造更先進(jìn)的多參數(shù)傳感可穿戴設(shè)備和遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺(tái)，功能強(qiáng)大，成本低廉，可用于各種醫(yī)療保健領(lǐng)域；（iv）需要與電氣工程師密切合作開(kāi)發(fā)具有柔性電路板、緊湊尺寸、低功耗和重量輕的健康信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸單元?，F(xiàn)有電路采用傳統(tǒng)芯片制造，不適用于特定的應(yīng)用，如置于隱形眼鏡中用于測(cè)量眼壓的芯片。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種具有長(zhǎng)工作壽命的小尺寸電路系統(tǒng)來(lái)跟蹤人體生理信息。研究人員相信，該綜述可以讓讀者全面了解遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中基于二維材料的創(chuàng)新型可穿戴傳感器的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和未來(lái)前景。

審核編輯：劉清