柔性傳感技術(shù)在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展

章浩偉，孫麗麗，劉穎

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海,200093)

0 引言

當(dāng)前,我國(guó)人口老齡化日趨嚴(yán)重、慢性病患病率持續(xù)升高，因此全民疾病預(yù)防意識(shí)逐漸增強(qiáng)，研究者開(kāi)始積極探索提前預(yù)防疾病，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康的方式方法。隨著集成電子技術(shù)、材料科學(xué)、無(wú)線通信等領(lǐng)域的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出類似于iWatch、小米手環(huán)等可穿戴運(yùn)動(dòng)健康類產(chǎn)品。已有諸多產(chǎn)品利用柔性傳感技術(shù)，可佩戴于人體手臂、腳腕、耳后等多個(gè)部位，用于人體信號(hào)監(jiān)測(cè)，如圖1所示。但目前大部分產(chǎn)品均缺乏精準(zhǔn)全面的臨床數(shù)據(jù)獲取功能。未來(lái)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備希望通過(guò)柔軟貼身的、無(wú)創(chuàng)的柔性電極結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體疾病的精確有效監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)上傳至共享端。

圖1 典型的可穿戴生物傳感器

柔性傳感技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的重要價(jià)值，推動(dòng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的快速發(fā)展。例如，葡萄糖檢測(cè)儀[1]利用酶電極可直接用于連續(xù)測(cè)量人體血液中的葡萄糖含量，從而減少臺(tái)式測(cè)量?jī)x的使用。可穿戴醫(yī)療設(shè)備的核心技術(shù)包括材料技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)[2]、能量采集與存儲(chǔ)五大核心技術(shù)，其中傳感模塊為提取人體信息的第一步。為采集到準(zhǔn)確全面的人體生理信息，正確的反饋出人體的健康狀況，柔性傳感技術(shù)的研究尤為重要[3]。本文結(jié)合近五年的文章，第一部分將著重介紹柔性傳感技術(shù)中所用到的柔性材料以及柔性傳感器的制造技術(shù)。第二部分將從醫(yī)療傳感器的分類著手，綜述各類型柔性傳感器在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展與應(yīng)用。最后總結(jié)了柔性可穿戴醫(yī)療設(shè)備的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，并對(duì)其前景進(jìn)行展望。

1 柔性傳感技術(shù)

傳統(tǒng)的高性能電子器件是由剛性半導(dǎo)體材料制成的，如硅、砷化鎵等。剛性限制了電子器件與生物組織材料的兼容性。隨著材料、機(jī)械和制造技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合導(dǎo)電聚合物的出現(xiàn)[4]，柔性電子器件引起學(xué)者的關(guān)注。隨著軟光刻技術(shù)[5]的興起，柔性電子器件進(jìn)入了快速發(fā)展階段。材料技術(shù)和制造技術(shù)是柔性傳感技術(shù)的關(guān)鍵所在。

1.1 柔性傳感器的材料技術(shù)

1.1.1 柔性材料用作基底

電極打印或沉積在柔性基底材料上，可使傳感器更加動(dòng)態(tài)地與生物組織交互。目前被廣泛作為基底的材料有PET、PI、PDMS、PX、纖維素和薄云母片等。

PET(polyethylene terephthalate)為透明或半透明體，成膜性好，絕緣性優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度高，是一種常見(jiàn)的柔性基板。Gao團(tuán)隊(duì)[6]以PET為柔性基板，通過(guò)光刻和后續(xù)加工，制備出多傳感器集成的汗液傳感陣列，可檢測(cè)人體汗液中的Na+、K+、葡萄糖、乳酸的濃度和體溫信息，對(duì)于實(shí)現(xiàn)人體多方面健康信息的監(jiān)測(cè)具有重要意義；PDMS(polydimethylsiloxane)是一種成本低、光學(xué)透明、惰性無(wú)毒的有機(jī)彈性體。Rogers團(tuán)隊(duì)[7]利用PDMS和PI制作出具有微流控結(jié)構(gòu)的可穿戴汗液傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液的精確控制，同時(shí)檢測(cè)出人體汗液中的多種目標(biāo)分析物。

1.1.2 柔性傳感器用作傳感介質(zhì)

在柔性傳感器的制作中，各種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，如金屬氧化物、碳納米管(CNT)、石墨烯、碳黑、有機(jī)聚合物等可根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)，作為傳感介質(zhì)來(lái)構(gòu)建柔性傳感器。由于有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料在性能和價(jià)格上具有很好的互補(bǔ)性，因此混合材料在構(gòu)建高性能傳感器中具有很大的研究?jī)r(jià)值。

Sundaram等[8]采用壓敏導(dǎo)電材料和正交導(dǎo)線構(gòu)成柔性可拉伸觸覺(jué)陣列傳感器。該傳感器利用正交導(dǎo)線之間力敏薄膜的電阻變化，記錄大規(guī)模的觸覺(jué)數(shù)據(jù)集。用于物體識(shí)別方面的研究，在機(jī)器人觸覺(jué)識(shí)別領(lǐng)域有很大研究?jī)r(jià)值。Pruvost等[9]將碳黑(CB)摻入PDMS中制得CB/PDMS 復(fù)合導(dǎo)電聚合物泡沫，該薄膜既具有導(dǎo)電性又具有可拉伸性，將其置于量電容板之間，制作出高性能的電容式壓力傳感器。當(dāng)壓力<0.2 kPa時(shí)，靈敏度超過(guò)35 kPa-1, 可用于監(jiān)測(cè)人體脈搏。

高分子導(dǎo)電聚合物薄膜雖具有良好的拉伸性和高敏感度，但其透氣性差，長(zhǎng)期佩戴在人體可能會(huì)引起皮膚局部發(fā)炎等不適。為了解決這一問(wèn)題，Osman[10]利用電紡柔性PU纖維與PVDF纖維，以柔性PVDF纖維層作為壓電層，制備出全納米傳感器，使心電和肌電信號(hào)的長(zhǎng)期同步監(jiān)測(cè)成為可能。但由于其拉伸性較差，在應(yīng)用領(lǐng)域也有一定的局限性。

1.2 柔性傳感器制造技術(shù)

1.2.1 微結(jié)構(gòu)襯底的制造技術(shù)

光刻和蝕刻等技術(shù)通常用于獲得剛性的微結(jié)構(gòu)硅模具。這些微結(jié)構(gòu)薄膜可以與碳納米管和石墨烯等電極材料結(jié)合，獲得高靈敏度的傳感器[11]。Ha等[12]利用光刻技術(shù)在硅片上制作一定深度的微孔，然后將PDMS澆鑄在模塊上，得到具有圓柱形微結(jié)構(gòu)的薄膜。最終在0.22 kPa-1以下的壓力范圍內(nèi)，傳感器靈敏度為可達(dá)2.0 kPa-1。

上述方法對(duì)模具、光刻工藝和技術(shù)人員的要求較高，制作成本昂貴。因此，研究人員開(kāi)始關(guān)注自然模具。例如，仿生結(jié)構(gòu)被研究用于制備微結(jié)構(gòu)PDMS薄膜[13]。Luo等[14]利用天然葉子圖案作為模具獲得了微結(jié)構(gòu)PDMS膜，并以石墨烯為電極制備了碳納米管復(fù)合膜。所制備的傳感器具有良好的性能，可以在0.03V下工作。與昂貴的光刻工藝相比，自然模具提供了一種更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)的制備微結(jié)構(gòu)的方法。

1.2.2 快速成型制造技術(shù)

直接在柔性襯底上打印電極，是制作各類物理和化學(xué)傳感器的基本方法。常用的打印方式有絲網(wǎng)印刷、激光雕刻與 3D打印等。直接在以紙或聚合物作為底板進(jìn)行打印。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)以絲網(wǎng)板為中心，使油墨通過(guò)網(wǎng)孔流至承印產(chǎn)品，可進(jìn)行大批量印刷，價(jià)格低，性價(jià)比高。Wang等[15]通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)打印Ag/AgCl油墨和普魯士藍(lán)油墨，構(gòu)成一種可大規(guī)模生產(chǎn)的可穿戴混合傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生化(乳酸)和電生理信號(hào)(心電圖)。3D打印技術(shù)已被業(yè)界和學(xué)術(shù)界公認(rèn)為一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)[16]。打印機(jī)可以通過(guò)噴嘴精確地操縱流體油墨的擠壓來(lái)打印設(shè)計(jì)[17]。直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)技術(shù)已應(yīng)用于一系列潛在可穿戴設(shè)備的電子元件。Valentine[18]等報(bào)道了通過(guò)3D打印方式連續(xù)打印純TPU油墨的絕緣TPU基體，然后用導(dǎo)電油墨打印導(dǎo)電痕跡，形成軟傳感器陣列。并利用該傳感器陣列結(jié)合微控制器制作了一種先進(jìn)的可穿戴設(shè)備?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)的興起，為各類傳感器的快速構(gòu)建提供了新思路。

2 柔性傳感技術(shù)在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展

醫(yī)用傳感器是一種用來(lái)感知生物的各種信息并轉(zhuǎn)換成容易處理的電信號(hào)器件，由圖2可知，它是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合的環(huán)節(jié)，在醫(yī)學(xué)儀器研制和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。醫(yī)用傳感器按工作原理分類，分為生物電電極傳感器，物理傳感器，化學(xué)傳感器，生物傳感器四類。

圖2 醫(yī)用傳感器信號(hào)處理示意框圖

2.1 生物電電極

生物電檢測(cè)電極是指通過(guò)與生物體接觸耦合，將生物體內(nèi)的電位和電流有效導(dǎo)出的敏感元件。

Sarati等[19]在不使用任何有害化學(xué)物質(zhì)和復(fù)雜工藝的情況下，在生物相容性較好的尼龍膜上制備了高性能紙基表皮傳感器。應(yīng)用該表皮傳感器獲取心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG)，并監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)；Amer等[20]在柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上絲網(wǎng)印刷銀片，制備干電極。用于獲取心電信號(hào)，避免了皮膚預(yù)處理和粘涂導(dǎo)電凝膠的過(guò)程。

2.2 物理傳感器

基于材料學(xué)科的發(fā)展，研究者通過(guò)構(gòu)建特殊機(jī)制的柔性薄膜材料，使其對(duì)外部環(huán)境具有極高的敏感度，構(gòu)成了一系列物理柔性傳感器，用于檢測(cè)脈搏、呼吸頻率、心跳速率、溫度等人體生理信息。

體溫溫度傳感器是臨床上最基礎(chǔ)的傳感器之一。溫度T下的電阻(Rt)由熱敏電阻的材料常數(shù)(β)根據(jù)下式?jīng)Q定[21]：

(1)

(2)

其中R0為參考溫度T0下的電阻。通過(guò)(1)式兩邊取自然對(duì)數(shù)得到(2)式中l(wèi)n(RT)與1/T的線性關(guān)系。由于其工作機(jī)理簡(jiǎn)單，常被用來(lái)構(gòu)建熱敏電阻式溫度傳感器。

理想的可穿戴式熱敏電阻應(yīng)與應(yīng)變無(wú)關(guān)，一種有效規(guī)避應(yīng)變依賴性的可能方法是將熱敏電阻與一個(gè)靈活且可伸縮的基體混合。Trung等[22]通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)涂層和層壓開(kāi)發(fā)了致密的rGO/聚氨酯納米復(fù)合溫度傳感器。即使在10 000次拉伸到30%的張力之后，它們?nèi)员憩F(xiàn)出穩(wěn)定的敏感性0.013 4 ℃-1。柔性壓力傳感器歷經(jīng)十余年的發(fā)展，已經(jīng)成為可穿戴電子設(shè)備和電子皮膚的核心部件。

柔性壓力傳感器通常由高分子聚合物和納米導(dǎo)電材料組成。其中高分子聚合物通常起柔性基地或絕緣體的作用，納米導(dǎo)電顆粒充當(dāng)敏感部件。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)[23]利用激光直寫(xiě)技術(shù)制備了一種激光誘導(dǎo)墨烯層(laser induced graphene, LIG)作為“電子喉嚨”。貼于人體喉嚨處可以監(jiān)測(cè)人體發(fā)聲狀態(tài)。在語(yǔ)音控制的可穿戴領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)。

2.3 化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器通常指基于化學(xué)原理的、以化學(xué)物質(zhì)成分為檢測(cè)對(duì)象的一類傳感器。利用敏感材料與被測(cè)物中的離子、分子或生物物質(zhì)互相接觸而產(chǎn)生的表面化學(xué)反應(yīng)、電極電位變化或引起材料表面的電勢(shì)變化，并將反應(yīng)直接或間接地轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

人體的體液和排泄物中包含了大量有用的生理信息。在可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，研究者們致力于挖掘完全貼合人體皮膚的、無(wú)創(chuàng)的化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)人體排泄液中的相關(guān)信息。Koh等[24]設(shè)計(jì)的微流控器件通過(guò)定義汗液的流通通道可以實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的排汗量和排汗速率，以及汗液中乳酸、葡萄糖、肌酐和氯化物的濃度。Gao等[6]通過(guò)在PI薄膜上制備離子選擇電極(ISE)，并與柔性PCB電路板結(jié)合佩戴于人體手臂上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體汗液中鈉離子、鉀離子濃度的變化。兩電極靈敏度分別為：64.2 mV/10倍濃度、61.3 mV/10倍濃度；組織液成分基本與血漿相同，因此基于組織液的化學(xué)傳感器占有很大比重。Amay等利用反向離子滲透法提取皮下組織液，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在紋身紙上打印基于酶的三電極系統(tǒng)，用于測(cè)量組織液中的葡萄糖濃度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體血糖濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些非侵入性的傳感器為充分利用體液或排泄液中生物標(biāo)志物信息提供了一個(gè)平臺(tái)。

2.4 生物傳感器

生物傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的一類新型傳感器，其將生物體活性成分(酶、抗體、抗原、DNA、受體等)或生物體本身(組織、細(xì)胞、細(xì)胞器)作為敏感元件，具有很強(qiáng)的特異性和高度敏感性，被稱為具有生物識(shí)別能力的化學(xué)傳感器。

Lu等[25]制備出一種柔性低成本的一次性免疫傳感器。由單壁碳納米管(SWNTs)和生物分子在兩個(gè)微圖形電極之間自由組裝，利用辣根過(guò)氧化物酶(HRP)作為檢測(cè)免疫蛋白的敏感元件。對(duì)于兔免疫球蛋白檢測(cè)分辨率為0.4 ng/mL?？赏ㄟ^(guò)改變?cè)谌嵝悦庖咝酒系目乖贵w系統(tǒng)，使其具有一般適用性，并可擴(kuò)展到檢測(cè)許多其他生物分子。

3 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

3.1 長(zhǎng)期使用性

一個(gè)理想的柔性傳感器應(yīng)該在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量期間捕獲分析物濃度。然而，達(dá)到長(zhǎng)期使用的目的，對(duì)傳感器有兩個(gè)重要的要求。第一，傳感器本身具有耐用、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。大部分柔性電化學(xué)傳感器的構(gòu)建基于酶等活性物質(zhì)。容易失活且價(jià)格成本高等缺點(diǎn)，達(dá)不到長(zhǎng)期使用的目的。第二，患者佩戴應(yīng)具有安全保障和一定的舒適感。部分傳感器由于在皮膚表面進(jìn)行交互，且高分子聚合物的非透氣性造成皮膚發(fā)炎。此外，由于電極和皮膚之間的機(jī)械摩擦，對(duì)皮膚造成一定程度傷害。

3.2 廣泛的臨床試驗(yàn)

雖然很多學(xué)者在柔性傳感器方面做了深入的研究，但得到的數(shù)據(jù)還需通過(guò)廣泛的臨床試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性?；谌嵝詡鞲屑夹g(shù)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備尺寸從微型化到大型化不等，其最終目的是實(shí)現(xiàn)更好的醫(yī)療服務(wù)。然而，新型傳感器的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的測(cè)量結(jié)果相比較，還具有一定距離。各類聚合物材料對(duì)于人體生物電信號(hào)的檢測(cè)不夠準(zhǔn)確。進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，是目前柔性傳感器的問(wèn)題之一，還需要結(jié)合廣泛的臨床實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化。

除上述問(wèn)題外，制造成本、傳感器功耗、傳感器封裝等方面，也都存在相應(yīng)的問(wèn)題。柔性傳感技術(shù)的進(jìn)一步探索，必定為完善的可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供強(qiáng)大的支撐。

4 總結(jié)與展望

目前，基于軟材料、柔性電子、納米技術(shù)、微流體的發(fā)展，柔性傳感技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，通過(guò)各種傳感機(jī)理，如物理、生物、電化學(xué)等，研究者已經(jīng)不斷探索柔性傳感器在人體健康和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于制造出柔軟、微型、高精度的傳感器用于全方面的人體生理信號(hào)檢測(cè)和人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)追蹤。未來(lái)，各種心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的治療手段越來(lái)越依賴于植入式醫(yī)療電子器件。人們可通過(guò)簡(jiǎn)約的柔性電子設(shè)備用于日常自主測(cè)量。醫(yī)療服務(wù)的進(jìn)一步提高，都離不開(kāi)柔性傳感技術(shù)的發(fā)展。