柔性传感技术在可穿戴医疗设备中的发展

　　【摘要】柔性传感器和智能可穿戴技术因其在健康医疗、柔性电子等领域中具有极大的应用价值，正处于深入研究之中。传统获取医疗信息的方式会增加患者的就诊负担。柔性可穿戴设备致力于研究薄而软的柔性电子元件，使其与配件、人体皮肤甚至人体内部器官进行集成，用于人体信息检测，在健康医疗、临床诊断和药物供给方面提供独特的功能。该文重点讨论了柔性传感器常用的材料和制造技术，综述了柔性传感器在医疗可穿戴设备领域的应用与发展。

　　【关键词】柔性传感器;可穿戴设备;健康医疗;柔性聚合物;制造工艺

　　0引言

　　当前，我国人口老龄化日趋严重、慢性病患病率持续升高，因此全民疾病预防意识逐渐增强，研究者开始积极探索提前预防疾病，实时监测人体健康的方式方法。随着集成电子技术、材料科学、无线通信等领域的发展，不断涌现出类似于iWatch、小米手环等可穿戴运动健康类产品。已有诸多产品利用柔性传感技术，可佩戴于人体手臂、脚腕、耳后等多个部位，用于人体信号监测，如图1所示。但目前大部分产品均缺乏精准全面的临床数据获取功能。未来的可穿戴医疗设备希望通过柔软贴身的、无创的柔性电极结合无线通信技术，实现对人体疾病的精确有效监测，并将数据上传至共享端。

　　1柔性传感技术

　　传统的高性能电子器件是由刚性半导体材料制成的，如硅、砷化镓等。刚性限制了电子器件与生物组织材料的兼容性。随着材料、机械和制造技术的进步，结合导电聚合物的出现［4］，柔性电子器件引起学者的关注。随着软光刻技术［5］的兴起，柔性电子器件进入了快速发展阶段。材料技术和制造技术是柔性传感技术的关键所在。

　　1．1柔性传感器的材料技术

　　1．1．1柔性材料用作基底

　　电极打印或沉积在柔性基底材料上，可使传感器更加动态地与生物组织交互。目前被广泛作为基底的材料有PET、PI、PDMS、PX、纤维素和薄云母片等。PET(polyethyleneterephthalate)为透明或半透明体，成膜性好，绝缘性优良，拉伸强度高，是一种常见的柔性基板。Gao团队［6］以PET为柔性基板，通过光刻和后续加工，制备出多传感器集成的汗液传感阵列，可检测人体汗液中的Na+、K+、葡萄糖、乳酸的浓度和体温信息，对于实现人体多方面健康信息的监测具有重要意义;PDMS(polydime-thylsiloxane)是一种成本低、光学透明、惰性无毒的有机弹性体。Ｒogers团队［7］利用PDMS和PI制作出具有微流控结构的可穿戴汗液传感器，实现对汗液的精确控制，同时检测出人体汗液中的多种目标分析物。

　　1．1．2柔性传感器用作传感介质

　　在柔性传感器的制作中，各种有机和无机材料，如金属氧化物、碳纳米管(CNT)、石墨烯、碳黑、有机聚合物等可根据自身优势，作为传感介质来构建柔性传感器。由于有机材料与无机材料在性能和价格上具有很好的互补性，因此混合材料在构建高性能传感器中具有很大的研究价值。

　　1．2柔性传感器制造技术

　　1．2．1微结构衬底的制造技术

　　光刻和蚀刻等技术通常用于获得刚性的微结构硅模具。这些微结构薄膜可以与碳纳米管和石墨烯等电极材料结合，获得高灵敏度的传感器［11］。Ha等［12］利用光刻技术在硅片上制作一定深度的微孔，然后将PDMS浇铸在模块上，得到具有圆柱形微结构的薄膜。最终在0．22kPa－1以下的压力范围内，传感器灵敏度为可达2．0kPa－1。

　　1．2．2快速成型制造技术

　　直接在柔性衬底上打印电极，是制作各类物理和化学传感器的基本方法。常用的打印方式有丝网印刷、激光雕刻与3D打印等。直接在以纸或聚合物作为底板进行打印。

　　2柔性传感技术在可穿戴医疗设备中的发展

　　医用传感器是一种用来感知生物的各种信息并转换成容易处理的电信号器件，由图2可知，它是医学仪器与人体直接耦合的环节，在医学仪器研制和医学实验中占有重要地位。医用传感器按工作原理分类，分为生物电电极传感器，物理传感器，化学传感器，生物传感器四类。

　　2．1生物电电极

　　生物电检测电极是指通过与生物体接触耦合，将生物体内的电位和电流有效导出的敏感元件。Sarati等［19］在不使用任何有害化学物质和复杂工艺的情况下，在生物相容性较好的尼龙膜上制备了高性能纸基表皮传感器。应用该表皮传感器获取心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG)，并监测人体运动;Amer等［20］在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上丝网印刷银片，制备干电极。用于获取心电信号，避免了皮肤预处理和粘涂导电凝胶的过程。

　　2．2物理传感器

　　基于材料学科的发展，研究者通过构建特殊机制的柔性薄膜材料，使其对外部环境具有极高的敏感度，构成了一系列物理柔性传感器，用于检测脉搏、呼吸频率、心跳速率、温度等人体生理信息。

　　3问题与挑战

　　3．1长期使用性

　　一个理想的柔性传感器应该在长时间连续测量期间捕获分析物浓度。然而，达到长期使用的目的，对传感器有两个重要的要求。第一，传感器本身具有耐用、性能稳定等特点。大部分柔性电化学传感器的构建基于酶等活性物质。容易失活且价格成本高等缺点，达不到长期使用的目的。第二，患者佩戴应具有安全保障和一定的舒适感。部分传感器由于在皮肤表面进行交互，且高分子聚合物的非透气性造成皮肤发炎。此外，由于电极和皮肤之间的机械摩擦，对皮肤造成一定程度伤害。

　　3．2广泛的临床试验

　　虽然很多学者在柔性传感器方面做了深入的研究，但得到的数据还需通过广泛的临床试验来验证其准确性。基于柔性传感技术的可穿戴医疗设备尺寸从微型化到大型化不等，其最终目的是实现更好的医疗服务。然而，新型传感器的测量结果与传统医疗设备的测量结果相比较，还具有一定距离。各类聚合物材料对于人体生物电信号的检测不够准确。进一步提高检测精度，是目前柔性传感器的问题之一，还需要结合广泛的临床实验，对设备进一步优化。除上述问题外，制造成本、传感器功耗、传感器封装等方面，也都存在相应的问题。柔性传感技术的进一步探索，必定为完善的可穿戴医疗设备提供强大的支撑。

　　4总结与展望

　　目前，基于软材料、柔性电子、纳米技术、微流体的发展，柔性传感技术已经取得长足的进步，通过各种传感机理，如物理、生物、电化学等，研究者已经不断探索柔性传感器在人体健康和医疗领域的应用，致力于制造出柔软、微型、高精度的传感器用于全方面的人体生理信号检测和人体运动信号追踪。未来，各种心血管疾病和神经系统疾病等的治疗手段越来越依赖于植入式医疗电子器件。人们可通过简约的柔性电子设备用于日常自主测量。医疗服务的进一步提高，都离不开柔性传感技术的发展。

　　【参考文献】

　　［1］HEIKENFELDJ，JAJACKA，ＲOGEＲSJ，etal．Wearablesensors:modalities，challenges，andprospects［J］．LabChip，2018，18(2):217－248．

　　［2］ANBW，HEOS，JIS，etal．Transparentandflexiblefin-gerprintsensorarraywithmultiplexeddetectionoftactilepressureandskintemperature［J］．NatCommun，2018，9(1):1－10．

　　［3］KIMJ，CAMPBELLAS，DEVILABE，etal．Wearablebiosensorsforhealthcaremonitoring［J］．NatBiotechnol，2019，37:389－406．

　　［4］SHIＲAKAWAH，LOUISEJ，MACDIAＲMIDAG，etal．Synthesisofelectricallyconductingorganicpolymers:halo-genderivativesofpolyaeetylene，(CH)x［J］．JChemSocChemCommun，1977，l6(16):578－580．

　　［5］ANDYX，WHITESIDESGM．SOFTLITHOGＲAPHY［J］．EncyclopediaofNanotechnology，2003，37(28):153－184．

　　章浩伟，孙丽丽，刘颖

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