基于新興材料和納米架構的遠程醫療可穿戴傳感器

可穿戴傳感器在遠程醫療生理和生化標志物傳感方面取得了重大進展。通過監測體溫、動脈血氧飽和度、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提供了巨大的潛力。近年來，基于二維（2D）材料的可穿戴傳感器的開發取得了重大進展，使這類傳感器具有柔性，優異的機械穩定性，高靈敏度和準確性，為遠程和實時健康監測引入了一種新的方法。

據麥姆斯咨詢報道，近日，布拉格化學與技術大學（University of Chemistry and Technology Prague）在npj Flexible Electronics期刊上發表了題為“Wearable sensors for telehealth based on emerging materials and nanoarchitectonics”的綜述文章，概述了用于遠程健康監測系統（RHMS）的基于二維材料的可穿戴傳感器和生物傳感器。本文重點介紹了五種類型的可穿戴傳感器，并根據其傳感機理進行了分類，如壓力傳感器、應變傳感器、電化學傳感器、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、機理及其應用。本文最后還討論了這一新興遠程醫療領域存在的障礙和未來機遇。

綜述概覽

在本綜述文章中，研究人員概述了過去四年中開發的基于二維材料的可穿戴傳感器/生物傳感器和概念驗證的遠程醫療系統。新興的基于二維材料和納米架構的可穿戴傳感器為用戶提供了許多優勢，包括體溫、動脈氧飽和度、汗液生物標志物、呼吸周期、血糖、心率和運動等生命體征監測，以及早期病毒/流感（即SARS-CoV-2）識別。研究人員概述了不同的可穿戴傳感器（壓力傳感器、應變傳感器、電化學傳感器、光電傳感器、溫度傳感器），包括它們的工作原理、檢測機制、與電子電路的集成以及在人體監測中的應用。

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時信息的集成醫療保健系統。該系統主要監測心率（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境下的反復安裝和拆卸下工作。盡管如此，在實際應用中，壓力傳感器還將接觸到具有挑戰性的環境條件，包括出汗和高濕度，這可能會影響二維材料的穩定性和傳感器的性能。因此，有必要對人工復雜環境下工作穩定性背后的機制進行更多的研究。此外，應該研究對二維材料的性能和納米/微米結構影響較小的有效封裝方法。

可穿戴壓力傳感器

接下來，研究人員將重點放在通過集成可穿戴壓力傳感器跟蹤人類活動上，這種傳感器可以快速識別人的大動作和小動作，并將數據傳輸到醫療保健提供者或用戶的智能手機上。這包括一系列運動監測，例如心跳、肌肉疲勞、身體關節彎曲、喉結振動和呼吸頻率。然后還討論了用于遠程健康監測的一體化紡織品應力傳感器的使用。電阻式應變傳感器顯示出優異的拉伸性能和靈敏度；然而，由于環境變化（濕度和溫度變化），它們存在遲滯、應變外部范圍的線性差以及不穩定性等問題。例如，過渡金屬碳化物（MXenes）在開放環境中會被氧化，這會縮短傳感器的保質期，并導致一致性、可靠性和可重復性方面的問題?？寡趸瘎┑氖褂煤透牧嫉腗AX相合成工藝有望解決MXenes的穩定性問題，但這項工作仍限于實驗室規模。此外，在開發能夠檢測各個方向和多個變形平面上的解離應變的應變傳感器方面也存在困難。為了克服這一限制，需要對創新的傳感器架構和三維納米結構進行更多的研究。

可穿戴應變傳感器

然后，研究人員介紹了電化學生物傳感器，以遠程監測各種生物標志物，例如應激激素、乳酸、葡萄糖、汗液pH值和唾液中的COVID-19。大多數生物傳感器僅評估少數生物標志物。在未來，需要更多的研究來開發新的基于二維材料的傳感器，并擴展對傳感的理解，以監測各種生物標志物。在醫療保健領域，擴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系。研究人員還概述了遠程醫療應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，并已從研究階段發展到臨床應用。然而，其它二維材料，如過渡金屬二硫化物（TMD）、黑磷（BP）和MXenes正在迅速填補這一空白。與石墨烯相比，這些材料在帶隙范圍和光電流產生能力方面具有一定的優勢，使其成為未來可穿戴光電傳感器開發的潛在候選材料。

可穿戴光電、電化學和溫度傳感器/生物傳感器

研究人員預計，基于二維材料的可穿戴傳感器將成為醫療保健行業的一個新的傳感平臺。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鍵性能上都能“擊敗”商用傳感器，仍然存在重大挑戰。除了可穿戴傳感器的價格之外，還必須徹底解決一些挑戰，例如柔性電源（或自供電）的必要性、二維材料的穩定性和大規模生產、健康監測數據的隱私性等。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，通過可穿戴傳感器/生物傳感器和大數據處理實現的RHMS在為用戶提供實時健康監測信息和診斷工具方面具有巨大的前景。未來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，研究人員建議鼓勵未來在可穿戴傳感器和遠程醫療領域的研究和應用：（i）必須開發低成本的工業規模制造技術；（ii）建立基于人工智能（Al）的自動化決策系統（Al與RHMS集成），監測實時數據，同時檢查患者的既往病史，以幫助醫療保健提供者快速識別異常；（iii）創造更先進的多參數傳感可穿戴設備和遠程醫療平臺，功能強大，成本低廉，可用于各種醫療保健領域；（iv）需要與電氣工程師密切合作開發具有柔性電路板、緊湊尺寸、低功耗和重量輕的健康信號處理和數據傳輸單元?，F有電路采用傳統芯片制造，不適用于特定的應用，如置于隱形眼鏡中用于測量眼壓的芯片。因此，有必要開發一種具有長工作壽命的小尺寸電路系統來跟蹤人體生理信息。研究人員相信，該綜述可以讓讀者全面了解遠程醫療系統中基于二維材料的創新型可穿戴傳感器的現狀、挑戰和未來前景。

審核編輯：劉清