基于汗液生物傳感器的健康監(jiān)測(cè)可穿戴紡織品
可穿戴生物傳感器可以通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量人體汗液中的生物標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)控人體的生理信息。該技術(shù)在材料科學(xué)到生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在運(yùn)動(dòng)管理、健康監(jiān)測(cè)、藥物監(jiān)測(cè)和老年護(hù)理領(lǐng)域，具備舒適性、靈活性、輕便性和方便集成性等優(yōu)點(diǎn)。盡管汗液傳感器已經(jīng)被大力開發(fā)，但是在柔性器件性能提升、穿戴舒適性、多功能模塊集成方面依然存在挑戰(zhàn)。研究人員通過(guò)材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成策略設(shè)計(jì)，在織物上構(gòu)筑了高性能的生物傳感系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)更高效、可靠的汗液采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。這些前沿進(jìn)展提供了更加全面、精準(zhǔn)的生理信息監(jiān)測(cè)手段，也為生物醫(yī)學(xué)和健康管理領(lǐng)域的發(fā)展提供了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
南方科技大學(xué)林苑菁課題組與香港理工大學(xué)鄭子劍、黃琪瑤課題組對(duì)基于織物的新型生物傳感器及系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了全面回顧。綜述首先介紹了常用于可穿戴皮上生理標(biāo)志物分析的織物基生物傳感器，如比色法傳感器和電化學(xué)傳感器，并總結(jié)了電化學(xué)傳感器的機(jī)制和分類，包括電位型、電流型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型和阻抗型生物傳感器。隨后著重總結(jié)了織物導(dǎo)體的分類和構(gòu)筑方法，并介紹了面向汗液高效采集的織物系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，討論了織物基生物傳感器的性能提升策略，包括納米結(jié)構(gòu)功能材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并介紹了多功能模塊在織物基底上的系統(tǒng)集成策略。
圖1. 基于織物的生物傳感器在可穿戴式健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。深入理解生物傳感機(jī)制、構(gòu)筑高性能織物電極、設(shè)計(jì)高效的皮上汗液采集方法、提高織物傳感系統(tǒng)集成度等方面的前沿研究進(jìn)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)更具穿戴舒適性、多功能的可穿戴傳感技術(shù)至關(guān)重要。
最后，文章討論了面向健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的織物基底生物傳感技術(shù)的發(fā)展前景和挑戰(zhàn)。近年來(lái)，針對(duì)材料優(yōu)化和微納柔性器件制造技術(shù)的研究成果使得基于柔性生物傳感的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，其中許多健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品中。然而，可穿戴汗液生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，汗液生物傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一是汗液采集的高效性。目前，收集汗液的主要方法包括高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或離子電滲法。然而，即使在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)期間，汗液采集量也較低，而離子電滲法需要通過(guò)電流刺激，可能對(duì)皮膚造成損傷。其次，新舊汗的混合以及測(cè)試區(qū)域的潛在污染，也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，需要結(jié)合織物特有的親疏水性質(zhì)，設(shè)計(jì)更高效的汗液采樣模塊。其次，發(fā)展具備可清洗性質(zhì)的織物基底電子器件將使其在可穿戴監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有更大優(yōu)勢(shì)。生物傳感器與汗液接觸過(guò)程中表面被污染是不可避免的。為了節(jié)省成本，通?？梢酝ㄟ^(guò)清洗去除殘留物。然而，由于選擇性膜質(zhì)地柔軟，在清洗的過(guò)程中其表面甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)被損壞，這可能導(dǎo)致傳感器性能下降甚至損壞。采用仿生微/納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面改性以實(shí)現(xiàn)自清潔效果將是首選策略之一。此外，深入研究并優(yōu)化可清洗的封裝或保護(hù)層材料，有望實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的紡織品智能電子與系統(tǒng)。
該綜述論文作為封面文章、以題為“ Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring
Yuqing Shi, Ziyu Zhang, Qiyao Huang, Yuanjing Lin, Zijian Zheng
J. Semicond. 2023, 44(2): 021601 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/021601
Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/44/2/021601
來(lái)源：半導(dǎo)體學(xué)報(bào)
