柔性傳感技術(shù)在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展

　　【摘要】柔性傳感器和智能可穿戴技術(shù)因其在健康醫(yī)療、柔性電子等領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用價值，正處于深入研究之中。傳統(tǒng)獲取醫(yī)療信息的方式會增加患者的就診負(fù)擔(dān)。柔性可穿戴設(shè)備致力于研究薄而軟的柔性電子元件，使其與配件、人體皮膚甚至人體內(nèi)部器官進(jìn)行集成，用于人體信息檢測，在健康醫(yī)療、臨床診斷和藥物供給方面提供獨特的功能。該文重點討論了柔性傳感器常用的材料和制造技術(shù)，綜述了柔性傳感器在醫(yī)療可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

　　【關(guān)鍵詞】柔性傳感器;可穿戴設(shè)備;健康醫(yī)療;柔性聚合物;制造工藝

　　0引言

　　當(dāng)前，我國人口老齡化日趨嚴(yán)重、慢性病患病率持續(xù)升高，因此全民疾病預(yù)防意識逐漸增強，研究者開始積極探索提前預(yù)防疾病，實時監(jiān)測人體健康的方式方法。隨著集成電子技術(shù)、材料科學(xué)、無線通信等領(lǐng)域的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出類似于iWatch、小米手環(huán)等可穿戴運動健康類產(chǎn)品。已有諸多產(chǎn)品利用柔性傳感技術(shù)，可佩戴于人體手臂、腳腕、耳后等多個部位，用于人體信號監(jiān)測，如圖1所示。但目前大部分產(chǎn)品均缺乏精準(zhǔn)全面的臨床數(shù)據(jù)獲取功能。未來的可穿戴醫(yī)療設(shè)備希望通過柔軟貼身的、無創(chuàng)的柔性電極結(jié)合無線通信技術(shù)，實現(xiàn)對人體疾病的精確有效監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳至共享端。

　　1柔性傳感技術(shù)

　　傳統(tǒng)的高性能電子器件是由剛性半導(dǎo)體材料制成的，如硅、砷化鎵等。剛性限制了電子器件與生物組織材料的兼容性。隨著材料、機(jī)械和制造技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合導(dǎo)電聚合物的出現(xiàn)［4］，柔性電子器件引起學(xué)者的關(guān)注。隨著軟光刻技術(shù)［5］的興起，柔性電子器件進(jìn)入了快速發(fā)展階段。材料技術(shù)和制造技術(shù)是柔性傳感技術(shù)的關(guān)鍵所在。

　　1．1柔性傳感器的材料技術(shù)

　　1．1．1柔性材料用作基底

　　電極打印或沉積在柔性基底材料上，可使傳感器更加動態(tài)地與生物組織交互。目前被廣泛作為基底的材料有PET、PI、PDMS、PX、纖維素和薄云母片等。PET(polyethyleneterephthalate)為透明或半透明體，成膜性好，絕緣性優(yōu)良，拉伸強度高，是一種常見的柔性基板。Gao團(tuán)隊［6］以PET為柔性基板，通過光刻和后續(xù)加工，制備出多傳感器集成的汗液傳感陣列，可檢測人體汗液中的Na+、K+、葡萄糖、乳酸的濃度和體溫信息，對于實現(xiàn)人體多方面健康信息的監(jiān)測具有重要意義;PDMS(polydime-thylsiloxane)是一種成本低、光學(xué)透明、惰性無毒的有機(jī)彈性體。Ｒogers團(tuán)隊［7］利用PDMS和PI制作出具有微流控結(jié)構(gòu)的可穿戴汗液傳感器，實現(xiàn)對汗液的精確控制，同時檢測出人體汗液中的多種目標(biāo)分析物。

　　1．1．2柔性傳感器用作傳感介質(zhì)

　　在柔性傳感器的制作中，各種有機(jī)和無機(jī)材料，如金屬氧化物、碳納米管(CNT)、石墨烯、碳黑、有機(jī)聚合物等可根據(jù)自身優(yōu)勢，作為傳感介質(zhì)來構(gòu)建柔性傳感器。由于有機(jī)材料與無機(jī)材料在性能和價格上具有很好的互補性，因此混合材料在構(gòu)建高性能傳感器中具有很大的研究價值。

　　1．2柔性傳感器制造技術(shù)

　　1．2．1微結(jié)構(gòu)襯底的制造技術(shù)

　　光刻和蝕刻等技術(shù)通常用于獲得剛性的微結(jié)構(gòu)硅模具。這些微結(jié)構(gòu)薄膜可以與碳納米管和石墨烯等電極材料結(jié)合，獲得高靈敏度的傳感器［11］。Ha等［12］利用光刻技術(shù)在硅片上制作一定深度的微孔，然后將PDMS澆鑄在模塊上，得到具有圓柱形微結(jié)構(gòu)的薄膜。最終在0．22kPa－1以下的壓力范圍內(nèi)，傳感器靈敏度為可達(dá)2．0kPa－1。

　　1．2．2快速成型制造技術(shù)

　　直接在柔性襯底上打印電極，是制作各類物理和化學(xué)傳感器的基本方法。常用的打印方式有絲網(wǎng)印刷、激光雕刻與3D打印等。直接在以紙或聚合物作為底板進(jìn)行打印。

　　2柔性傳感技術(shù)在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展

　　醫(yī)用傳感器是一種用來感知生物的各種信息并轉(zhuǎn)換成容易處理的電信號器件，由圖2可知，它是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合的環(huán)節(jié)，在醫(yī)學(xué)儀器研制和醫(yī)學(xué)實驗中占有重要地位。醫(yī)用傳感器按工作原理分類，分為生物電電極傳感器，物理傳感器，化學(xué)傳感器，生物傳感器四類。

　　2．1生物電電極

　　生物電檢測電極是指通過與生物體接觸耦合，將生物體內(nèi)的電位和電流有效導(dǎo)出的敏感元件。Sarati等［19］在不使用任何有害化學(xué)物質(zhì)和復(fù)雜工藝的情況下，在生物相容性較好的尼龍膜上制備了高性能紙基表皮傳感器。應(yīng)用該表皮傳感器獲取心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG)，并監(jiān)測人體運動;Amer等［20］在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上絲網(wǎng)印刷銀片，制備干電極。用于獲取心電信號，避免了皮膚預(yù)處理和粘涂導(dǎo)電凝膠的過程。

　　2．2物理傳感器

　　基于材料學(xué)科的發(fā)展，研究者通過構(gòu)建特殊機(jī)制的柔性薄膜材料，使其對外部環(huán)境具有極高的敏感度，構(gòu)成了一系列物理柔性傳感器，用于檢測脈搏、呼吸頻率、心跳速率、溫度等人體生理信息。

　　3問題與挑戰(zhàn)

　　3．1長期使用性

　　一個理想的柔性傳感器應(yīng)該在長時間連續(xù)測量期間捕獲分析物濃度。然而，達(dá)到長期使用的目的，對傳感器有兩個重要的要求。第一，傳感器本身具有耐用、性能穩(wěn)定等特點。大部分柔性電化學(xué)傳感器的構(gòu)建基于酶等活性物質(zhì)。容易失活且價格成本高等缺點，達(dá)不到長期使用的目的。第二，患者佩戴應(yīng)具有安全保障和一定的舒適感。部分傳感器由于在皮膚表面進(jìn)行交互，且高分子聚合物的非透氣性造成皮膚發(fā)炎。此外，由于電極和皮膚之間的機(jī)械摩擦，對皮膚造成一定程度傷害。

　　3．2廣泛的臨床試驗

　　雖然很多學(xué)者在柔性傳感器方面做了深入的研究，但得到的數(shù)據(jù)還需通過廣泛的臨床試驗來驗證其準(zhǔn)確性。基于柔性傳感技術(shù)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備尺寸從微型化到大型化不等，其最終目的是實現(xiàn)更好的醫(yī)療服務(wù)。然而，新型傳感器的測量結(jié)果與傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的測量結(jié)果相比較，還具有一定距離。各類聚合物材料對于人體生物電信號的檢測不夠準(zhǔn)確。進(jìn)一步提高檢測精度，是目前柔性傳感器的問題之一，還需要結(jié)合廣泛的臨床實驗，對設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化。除上述問題外，制造成本、傳感器功耗、傳感器封裝等方面，也都存在相應(yīng)的問題。柔性傳感技術(shù)的進(jìn)一步探索，必定為完善的可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供強大的支撐。

　　4總結(jié)與展望

　　目前，基于軟材料、柔性電子、納米技術(shù)、微流體的發(fā)展，柔性傳感技術(shù)已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，通過各種傳感機(jī)理，如物理、生物、電化學(xué)等，研究者已經(jīng)不斷探索柔性傳感器在人體健康和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于制造出柔軟、微型、高精度的傳感器用于全方面的人體生理信號檢測和人體運動信號追蹤。未來，各種心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的治療手段越來越依賴于植入式醫(yī)療電子器件。人們可通過簡約的柔性電子設(shè)備用于日常自主測量。醫(yī)療服務(wù)的進(jìn)一步提高，都離不開柔性傳感技術(shù)的發(fā)展。

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　　章浩偉，孫麗麗，劉穎

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