石墨烯應(yīng)力傳感器在健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

朱可石 邢家瑋 陳思思 許慧

摘要：人體生理數(shù)據(jù)的數(shù)字化實時監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析對預(yù)防及診治疾病具有重要意義，新型石墨烯傳感器由于其優(yōu)異性能在醫(yī)用傳感器的研究中占主導(dǎo)地位。石墨烯應(yīng)力傳感器靈敏度高、延展性好、壽命長，且經(jīng)不同設(shè)計后具有多種檢測功能，因此具有極大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。本文介紹具有代表性的部分醫(yī)用傳感器，并對其在人體健康監(jiān)測方面的應(yīng)用潛力進(jìn)行評價。

關(guān)鍵詞：人體監(jiān)測;石墨烯傳感器;大數(shù)據(jù);智能醫(yī)療

隨著社會醫(yī)療保健水平的不斷提升，人們越來越希望實現(xiàn)對自身生理數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，以期做到對疾病的早發(fā)現(xiàn)，早治療。電子皮膚[1]、可穿戴設(shè)備[2]等柔性傳感器的發(fā)展為實現(xiàn)這一期望帶來了極大可能。石墨烯作為一種性能優(yōu)異[3]的新型材料，被廣泛應(yīng)用于柔性傳感器的制備。石墨烯傳感器常用于生理信號監(jiān)測[4]，動作監(jiān)測及聾啞人輔助發(fā)音等方面[5-6]，其中，壓阻型傳感器由于其突出性能在研究中是占主導(dǎo)地位[7]。此類傳感器由活性功能材料（石墨烯）、柔性基底及電極耦合構(gòu)成，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的可拉伸性，可以滿足柔性傳感器需求。然而，二維石墨烯層伸縮性能有限[8]，無法適應(yīng)醫(yī)療級別傳感器對精細(xì)應(yīng)力的感知需要。因此，通過不同方案設(shè)計來進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。近年來，基于不同設(shè)計的石墨烯傳感器不斷涌現(xiàn)，本文對部分有代表性的方案進(jìn)行介紹，并對他們在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用做出展望。

1圖案化褶皺設(shè)計

柔性基底與石墨烯形成褶皺網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，能夠極大提升傳感器延展性和靈敏度。在受到應(yīng)力時，石墨烯褶皺結(jié)構(gòu)在微觀范圍下形變范圍大，電阻變化率高，更為出色可拉伸性及靈敏度可以賦予了傳感器優(yōu)異的性能。Chang[9]等人通過模擬沙皮狗皮膚的多維度皺褶紋路，使用還原氧化石墨烯（RGO）電極進(jìn)行仿生設(shè)計，制備了一種抗伸縮性表皮壓力傳感器。該傳感器在伸縮測試中顯現(xiàn)出穩(wěn)定的電阻變化和較高的拉伸性能，并在外科機(jī)器人壓力傳感器上得到成功應(yīng)用。Chun[10]等人在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制備的單層石墨烯薄膜并復(fù)合緊密排列微柱，并構(gòu)建了蛙腳墊樣高靈敏度傳感器。其在低壓范圍內(nèi)，比傳統(tǒng)傳感器靈敏度高出約10倍。并且樹蛙腳墊樣的六角形結(jié)構(gòu)使傳感器能夠在皮膚表面緊密粘貼，這為可穿戴的電子設(shè)備的設(shè)計提供了新的思路。除此之外，Wei等[11]使用激光刻劃石墨烯的多層石墨烯表皮電子皮膚，它美觀度、靈敏度和穩(wěn)定性優(yōu)異，并能在穩(wěn)定附著于人體，可在未來應(yīng)用于脈搏等生理信號的監(jiān)測與識別。Pang等[12]通過磨料紙模板和還原石墨烯的組合，制備具有隨機(jī)分布的棘狀微結(jié)構(gòu)的傳感器。棘狀尖銳結(jié)構(gòu)在施加的小作用力時接觸面積急劇增加，極大提高了感應(yīng)靈敏度。該傳感器耐用性及透氣性良好，可應(yīng)用于如脈搏、呼吸等的生理狀態(tài)的監(jiān)測。

2接觸式結(jié)構(gòu)

圖案化褶皺設(shè)計的傳感器相對傳統(tǒng)的傳感器來說靈敏度已經(jīng)有了很大提升[17-18]，但微結(jié)構(gòu)通常由相對昂貴且易受損壞的硅微模具[13-15]或生物材料[16]制成。另外，這些微結(jié)構(gòu)面對面壓阻式傳感器往往表現(xiàn)出一個狹窄的傳感范圍，不太適合涉及人體生理學(xué)的應(yīng)用。因此，接觸式結(jié)構(gòu)設(shè)計逐漸成為了研究的熱點。張華[19]提出了一種雙層接觸結(jié)構(gòu)傳感器，利用接觸部分面積穩(wěn)定變化的特性提高應(yīng)變范圍。傳感器由上下兩層獨立石墨烯條帶構(gòu)成，每層的石墨烯條帶的做法是通過激光直寫技術(shù)直接將石墨烯圖形化為梳狀結(jié)構(gòu)，將二者相對交叉安置，并用 PDMS 進(jìn)行二次封裝。該方案減少了激光直寫法對應(yīng)變范圍測量的影響。測試結(jié)果表明，傳感器在應(yīng)變下性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度較快，適用于皮膚表面微小應(yīng)變信號的監(jiān)測。

Tian等[20]受豆莢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種由聚苯乙烯（PS）微球組成的微球芯層夾在兩層激光誘導(dǎo)石墨烯/聚氨酯（LIG/PU）薄膜之間的傳感器結(jié)構(gòu)。該柔性壓力傳感器具有自修復(fù)特性，在室溫下進(jìn)行三次切割-修復(fù)循環(huán)后，嚴(yán)重?fù)p壞的設(shè)備可以自我修復(fù)，并且能夠保持高靈敏度、良好的線性度、高達(dá)100kpa的傳感范圍和良好的穩(wěn)定性。該傳感器已在人體動脈脈搏監(jiān)測和步態(tài)檢測等嚴(yán)格應(yīng)用中得到進(jìn)一步驗證。這種新穎的設(shè)備結(jié)構(gòu)使其易于制造和高性能，為可擴(kuò)展生產(chǎn)用于人體生理診斷和其他高級可穿戴應(yīng)用的壓力傳感器鋪平了道路。

3碎片化結(jié)構(gòu)

石墨烯碎片導(dǎo)電機(jī)制中，正常狀態(tài)的石墨烯碎片呈自由分布。在受到外界壓力下，碎片之間的接觸面積發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻變化。然而，在施加小應(yīng)力情況下，接觸部分較難產(chǎn)生相對滑動，所以傳感器對小應(yīng)力的探測仍有限，因此，科研工作者對碎片化結(jié)構(gòu)做出了相應(yīng)的優(yōu)化。

文獻(xiàn)[19]報道了一種基于納米小球復(fù)合石墨烯的柔性應(yīng)力傳感器。聚苯乙烯（PS）納米小球復(fù)合加入后，原本緊密接觸的石墨烯碎片變得疏松，水平方向上的碎片間接觸面積減少，石墨烯碎片與PS納米小球的結(jié)合力也更小，接觸部分更易在受力下產(chǎn)生相對滑動，產(chǎn)生更大的電阻的變化幅度。垂直方向上，原本自由沉積后堆疊的石墨烯層被絕緣球體撐開，層間接觸部分的電阻所占比例提高，在施加應(yīng)力時石墨烯層間接觸部分會在表面正應(yīng)力的作用下產(chǎn)生相對滑動，對石墨烯的導(dǎo)電通道造成很大影響，從而使得石墨烯傳感器的靈敏度大幅提高。

多孔活性材料由于其固有的整體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完好，不能發(fā)生很大的變化。因此，大多數(shù)壓阻型傳感器的靈敏度低，無法在低壓力環(huán)境中進(jìn)行檢測。為了克服這些缺點，Yang等[21]基于此設(shè)計了一種剪切碎片式石墨烯氣凝膠（CGA）的傳感器。該CGA應(yīng)力傳感器的電流變化率及低壓下靈敏度比未剪切的CGA傳感器提高了約10倍。該傳感器循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良，經(jīng)4200次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定。此外，CGA還能檢測到人類手腕脈沖中的微弱信號，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通傳感器的檢測能力。這種方法可以大大提高基于多孔材料和彈性材料的傳感器的性能，未來有望應(yīng)用于高性能醫(yī)療傳感器的制備。

4無線傳感器

單個傳感器的多功能化十分有限，要做到能夠檢測復(fù)雜生理數(shù)據(jù)就必須依靠集成技術(shù)。然而，在單元陣列擴(kuò)展時獨立傳感單元間的連線復(fù)雜且分辨率低，難以應(yīng)用于生理數(shù)據(jù)的大量傳輸。為了解決這個問題，Inoue等[22]提出了一種由石墨烯片和發(fā)射線圈與PDMS管集成的無線壓力傳感器。利用電磁效應(yīng)，外部接收器線圈與體內(nèi)線圈電磁耦合，無線監(jiān)控管內(nèi)壓力。經(jīng)無線壓力測試后研究人員發(fā)現(xiàn)，可以通過增加接收線圈、N和重疊線圈的匝數(shù)實現(xiàn)高精度的血壓測量。另外，該傳感器可以通過調(diào)整尺寸改變靈敏度，具有良好通用性，可以在未來得到了廣泛的應(yīng)用。然而，植入血管后，傳感器對人體的安全性叩需進(jìn)一步探究。

Kou[23]等提出了提出了一種基于石墨烯/PDMS（GR/PDMS）海綿作為介電層的無線柔性壓力傳感器。將GR/PDMS海綿置于圖案化的柔性電路中，便可通過電容效應(yīng)獲得了無線壓力傳感器。當(dāng)外部壓力作用于傳感器時，GR/PDMS海綿被壓縮，顆粒間間距減小，總電容隨并聯(lián)電容器數(shù)量的增加而增大。經(jīng)測試，該傳感器工作范圍大、響應(yīng)快、靈敏度高，性能十分優(yōu)異。此外，研究人員通過繪制曲指和面部表情肌運動的電容和頻率響應(yīng)曲線，驗證了所制無線壓力傳感器的實用性。該傳感器具有成本低、測試簡單、穩(wěn)定性高、無電池等優(yōu)點，適用于智能機(jī)器人、仿生電子皮膚等無線檢測設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5展望

綜上所訴，近期開發(fā)的新型感受器較傳統(tǒng)感受器具有更好的物化生物性能，有望在未來發(fā)展成為具有超高性能的智能醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備。然而，當(dāng)下新型傳感器普遍存在能耗大、延展性差、功能化單一及易受干擾的問題，阻礙了醫(yī)用監(jiān)測設(shè)備的臨床使用。我們相信，當(dāng)這些問題得到解決時，石墨烯感受器就可以成為下一代智能化醫(yī)療監(jiān)測及手術(shù)輔助設(shè)備的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] 張華. 基于石墨烯的柔性應(yīng)力傳感器制備與性能研究[D].電子科技大學(xué)，2018.

作者簡介 第一作者：朱可石（1999～），男，江蘇南京人，學(xué)士在讀，從事組織工程研究。