石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療保健領域的應用

石墨烯因具有重量輕、導電性能極佳的優(yōu)勢而備受世人矚目，并被廣泛應用于各種功能材料和智能器件中。由于市場需求的激增，可穿戴傳感器已經廣泛應用于眾多領域，如運動檢測、人工智能、假肢皮膚、智能機器人、人機界面和人機交互等。隨著柔性感知電子器件的快速發(fā)展，石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療保健領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自孟加拉國紡織大學（Bangladesh University of Textiles）的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“Advances in Functionalized Applications of Graphene-Based Wearable Sensors in Healthcare”的綜述性文章，全面概括了石墨烯基可穿戴傳感器的發(fā)展進程和人體健康監(jiān)測技術的最新趨勢。

在該綜述中，作者首先討論了應用于醫(yī)療保健領域的石墨烯基可穿戴傳感器的各種制造技術；隨后，詳細介紹了石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療領域的廣泛應用，以及其用于健康問題監(jiān)測的傳感機制；接著，作者總結了石墨烯基可穿戴傳感器的最新發(fā)展，以及其所面臨的挑戰(zhàn)和解決這些挑戰(zhàn)的潛在方法；最后，作者闡述了應用于醫(yī)療保健領域的石墨烯基可穿戴傳感器的未來研究方向，以期推進可穿戴傳感器的發(fā)展，從而為人類和動物謀取更多的福祉。

用于人體檢測的石墨烯基可穿戴傳感器示意圖

石墨烯基可穿戴傳感器的各種制造技術

石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療保健領域的應用

作為一項新興技術，石墨烯基可穿戴傳感器具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ瑢︶t(yī)療保健領域的發(fā)展產生積極影響。然而，其仍然面臨著許多需要解決的挑戰(zhàn)和限制。

石墨烯基可穿戴傳感器面臨的首要挑戰(zhàn)是高難度和復雜的石墨烯合成工藝。目前，研究人員已經開發(fā)出多種不同的石墨烯生產工藝，但遺憾的是，沒有任何一種工藝是完美的。例如，化學氣相沉積法生產的石墨烯具有產量大、質量高且層數可控的優(yōu)勢，因而成為最有希望實現石墨烯工業(yè)化生產的方法之一，但該方法的轉移過程效率不高。同樣，剝落法具有成本低、方法簡單的優(yōu)勢，但利用其制備的石墨烯的尺寸和層數無法得到適當控制。

另一個值得關注的問題是石墨烯基復合材料的生物相容性。研究發(fā)現，部分石墨烯基復合材料具有生物相容性，但也有一些是具有毒性的。目前，研究人員已經利用魚類、植物、真菌、細菌等對石墨烯的毒性進行了研究。研究結果表明，石墨烯對這些生物的影響大多是負面的，并且其影響具有一定的種屬差異。在后續(xù)的研究中，需要進一步明確石墨烯對人類健康和環(huán)境的影響，以使其開發(fā)和使用過程更具可持續(xù)性和人類友好性。

此外，雖然石墨烯電極具有一定的柔性，但由應力導致的腐蝕開裂現象時有發(fā)生（尤其是應用于心電圖檢測時），從而導致器件的電子阻抗增加，并進一步導致器件靈敏度的降低。目前，研究人員正在致力于研究一些新技術來提高其柔性和耐用性。例如，通過加入銀納米線或碳納米管這樣的橋接材料可以提高器件的機械穩(wěn)定性。此外，還可以通過構建離子鍵和π?π鍵，在器件襯底和納米材料之間形成“磚墻結構（brick and motar）”，從而提高傳感器的整體穩(wěn)定性。

同樣值得注意的是，石墨烯基可穿戴傳感器在檢測信號時顯示出較窄的傳感范圍，無法滿足實際應用需求。因此，需要通過進一步研究，開發(fā)出高靈敏度、寬檢測范圍的石墨烯基可穿戴傳感器。此外，舒適性也是可穿戴傳感器必須具備的特性。研究發(fā)現，目前，大多數可穿戴傳感器利用傳統(tǒng)的膠帶或繃帶將傳感器固定在人體或皮膚上，這可能會給使用者帶來不適。因此，需要開發(fā)自粘性可穿戴傳感器，這可以通過使用受壁虎啟發(fā)的仿生微纖維、超薄封裝材料、帶有可溶脹尖端的微針陣列或化學粘合劑（例如聚多巴胺）來實現。

此外，在理想的狀態(tài)下，可穿戴傳感器應只對人體本身的生理變化產生響應，而不受環(huán)境因素的影響。然而，由于石墨烯是一種非常敏感的材料，其可能會因為溫度、濕度或pH值的變化而產生不同的響應。因此，需要對石墨烯基可穿戴傳感器進行進一步的研究，以防止其受外界因素的影響。

最后，對于可穿戴傳感器的長期使用，可持續(xù)能源供給是一個潛在的問題，通過整合自供電發(fā)電機可以緩解這一問題。例如，摩擦納米發(fā)電機可以從環(huán)境和人體運動中收集能量，將其與石墨烯基可穿戴傳感器整合在一起，可以使其具有自供電能力。

審核編輯：彭菁