综述：基于新兴材料和纳米架构的远程医疗可穿戴传感器
2023-06-10 15:24:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可穿戴传感器在远程医疗生理和生化标志物传感方面取得了重大进展。通过监测体温、动脉血氧饱和度、血糖和呼吸频率等生命体征，可穿戴传感器为疾病的早期检测提供了巨大的潜力。近年来，基于二维（2D）材料的可穿戴传感器的开发取得了重大进展，使这类传感器具有柔性，优异的机械稳定性，高灵敏度和准确性，为远程和实时健康监测引入了一种新的方法。

据麦姆斯咨询报道，近日，布拉格化学与技术大学（University of Chemistry and Technology Prague）在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Wearable sensors for telehealth based on emerging materials and nanoarchitectonics”的综述文章，概述了用于远程健康监测系统（RHMS）的基于二维材料的可穿戴传感器和生物传感器。本文重点介绍了五种类型的可穿戴传感器，并根据其传感机理进行了分类，如压力传感器、应变传感器、电化学传感器、光电传感器和温度传感器；概述了二维材料的性能及其对可穿戴传感器性能和操作的影响；探讨了可穿戴传感器的基本传感原理、机理及其应用。本文最后还讨论了这一新兴远程医疗领域存在的障碍和未来机遇。

综述概览

在本综述文章中，研究人员概述了过去四年中开发的基于二维材料的可穿戴传感器/生物传感器和概念验证的远程医疗系统。新兴的基于二维材料和纳米架构的可穿戴传感器为用户提供了许多优势，包括体温、动脉氧饱和度、汗液生物标志物、呼吸周期、血糖、心率和运动等生命体征监测，以及早期病毒/流感（即SARS-CoV-2）识别。研究人员概述了不同的可穿戴传感器（压力传感器、应变传感器、电化学传感器、光电传感器、温度传感器），包括它们的工作原理、检测机制、与电子电路的集成以及在人体监测中的应用。

首先，研究人员描述了一种利用压力传感器提供人类健康实时信息的集成医疗保健系统。该系统主要监测心率（附着在人体皮肤上）和呼吸周期（安装在口罩上）。这里描述的可穿戴压力传感器在典型环境下的反复安装和拆卸下工作。尽管如此，在实际应用中，压力传感器还将接触到具有挑战性的环境条件，包括出汗和高湿度，这可能会影响二维材料的稳定性和传感器的性能。因此，有必要对人工复杂环境下工作稳定性背后的机制进行更多的研究。此外，应该研究对二维材料的性能和纳米/微米结构影响较小的有效封装方法。

可穿戴压力传感器

接下来，研究人员将重点放在通过集成可穿戴压力传感器跟踪人类活动上，这种传感器可以快速识别人的大动作和小动作，并将数据传输到医疗保健提供者或用户的智能手机上。这包括一系列运动监测，例如心跳、肌肉疲劳、身体关节弯曲、喉结振动和呼吸频率。然后还讨论了用于远程健康监测的一体化纺织品应力传感器的使用。电阻式应变传感器显示出优异的拉伸性能和灵敏度；然而，由于环境变化（湿度和温度变化），它们存在迟滞、应变外部范围的线性差以及不稳定性等问题。例如，过渡金属碳化物（MXenes）在开放环境中会被氧化，这会缩短传感器的保质期，并导致一致性、可靠性和可重复性方面的问题。抗氧化剂的使用和改良的MAX相合成工艺有望解决MXenes的稳定性问题，但这项工作仍限于实验室规模。此外，在开发能够检测各个方向和多个变形平面上的解离应变的应变传感器方面也存在困难。为了克服这一限制，需要对创新的传感器架构和三维纳米结构进行更多的研究。

可穿戴应变传感器

然后，研究人员介绍了电化学生物传感器，以远程监测各种生物标志物，例如应激激素、乳酸、葡萄糖、汗液pH值和唾液中的COVID-19。大多数生物传感器仅评估少数生物标志物。在未来，需要更多的研究来开发新的基于二维材料的传感器，并扩展对传感的理解，以监测各种生物标志物。在医疗保健领域，扩大可穿戴传感器的使用需要了解生物流体成分及其与健康和特定疾病状况的关系。研究人员还概述了远程医疗应用的基于二维材料的可穿戴光电传感器和温度传感器。石墨烯是研究最广泛的用于温度传感器和光电传感器的二维材料，并已从研究阶段发展到临床应用。然而，其它二维材料，如过渡金属二硫化物（TMD）、黑磷（BP）和MXenes正在迅速填补这一空白。与石墨烯相比，这些材料在带隙范围和光电流产生能力方面具有一定的优势，使其成为未来可穿戴光电传感器开发的潜在候选材料。

可穿戴光电、电化学和温度传感器/生物传感器

研究人员预计，基于二维材料的可穿戴传感器将成为医疗保健行业的一个新的传感平台。要证明基于二维材料的可穿戴传感器和生物传感器在所有关键性能上都能“击败”商用传感器，仍然存在重大挑战。除了可穿戴传感器的价格之外，还必须彻底解决一些挑战，例如柔性电源（或自供电）的必要性、二维材料的稳定性和大规模生产、健康监测数据的隐私性等。目前大部分工作都集中在氧化石墨烯、Ti3C2Tx和BP；然而，仍有许多可行的二维材料需要研究。

此外，通过可穿戴传感器/生物传感器和大数据处理实现的RHMS在为用户提供实时健康监测信息和诊断工具方面具有巨大的前景。未来研究如何提高基于二维材料的可穿戴传感器的传感精度，可以拓宽其适用性。接下来，研究人员建议鼓励未来在可穿戴传感器和远程医疗领域的研究和应用：（i）必须开发低成本的工业规模制造技术；（ii）建立基于人工智能（Al）的自动化决策系统（Al与RHMS集成），监测实时数据，同时检查患者的既往病史，以帮助医疗保健提供者快速识别异常；（iii）创造更先进的多参数传感可穿戴设备和远程医疗平台，功能强大，成本低廉，可用于各种医疗保健领域；（iv）需要与电气工程师密切合作开发具有柔性电路板、紧凑尺寸、低功耗和重量轻的健康信号处理和数据传输单元。现有电路采用传统芯片制造，不适用于特定的应用，如置于隐形眼镜中用于测量眼压的芯片。因此，有必要开发一种具有长工作寿命的小尺寸电路系统来跟踪人体生理信息。研究人员相信，该综述可以让读者全面了解远程医疗系统中基于二维材料的创新型可穿戴传感器的现状、挑战和未来前景。

论文信息：https://www.nature.com/articles/s41528-023-00261-4

延伸阅读：

《可穿戴技术及市场-2023版》

《可穿戴传感器技术及市场-2022版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

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