可穿戴生物設(shè)備的快速發(fā)展推動了柔性多功能材料在健康監(jiān)測中的應(yīng)用。將可穿戴傳感器與多功能智能系統(tǒng)相結(jié)合，已成為遠(yuǎn)程健康監(jiān)測和個性化健康管理的趨勢。二維材料因其卓越的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)特性而備受關(guān)注，可高效集成于柔性傳感系統(tǒng)中。隨著具有獨(dú)特性能的二維材料的迅速發(fā)展，可穿戴傳感器在智能交互和集成功能方面展現(xiàn)出了新的應(yīng)用前景。本綜述整合了最新進(jìn)展，概述了二維材料在可穿戴生物設(shè)備中的優(yōu)勢、傳感機(jī)制及應(yīng)用前景，重點(diǎn)關(guān)注其在多功能智能集成系統(tǒng)中的作用，包括自供電、診斷/治療功能及人機(jī)交互，并系統(tǒng)總結(jié)了應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)與潛在解決方案。

本文亮點(diǎn)

1.本綜述全面梳理并評述了高性能可穿戴生物傳感器件中二維材料及相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展，涵蓋了二維材料的優(yōu)勢及其在生物傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

2.系統(tǒng)分析了二維材料在可穿戴生物器件制造中的優(yōu)勢、傳感機(jī)制及潛在應(yīng)用，并對基于二維材料的前沿生物傳感器件進(jìn)行了系統(tǒng)分類和概述。

3.針對二維材料在可穿戴生物器件應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，深入探討了關(guān)鍵問題，并提出了潛在的解決方案。

內(nèi)容簡介

可穿戴生物傳感器是一種無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測人體生理信號的電子器件，廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷及治療領(lǐng)域。在眾多材料中，二維(2D)材料因其獨(dú)特的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)及物理化學(xué)特性，受到了廣泛關(guān)注。這些材料能夠以原子級的片層高效集成于薄膜中，在傳感領(lǐng)域中展現(xiàn)了巨大的潛力。盡管這一領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，但針對基于二維材料的生物傳感設(shè)備，尤其是從單一功能傳感向功能集成傳感系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的研究，仍缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)。

北京航空航天大學(xué)李景、北京理工大學(xué)劉建麗等人綜述總結(jié)了二維材料在可穿戴生物設(shè)備中的最新進(jìn)展。首先，系統(tǒng)分析了二維材料在可穿戴生物設(shè)備制造中的優(yōu)勢、傳感機(jī)制及潛在應(yīng)用。隨后，系統(tǒng)地探討了基于二維材料的生物傳感器件，并按照其與人體物理、生理及生化信號的交互機(jī)制進(jìn)行分類。重點(diǎn)關(guān)注了二維智能設(shè)備中的多功能集成，包括自供電、集成診斷/治療功能和人機(jī)交互。最后，綜述簡要總結(jié)了二維材料在生物設(shè)備應(yīng)用中的現(xiàn)存挑戰(zhàn)與潛在解決方案，并針對關(guān)鍵問題提出了應(yīng)對策略，為推動二維材料在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益參考。

圖文導(dǎo)讀

I引言

隨著慢性病發(fā)病率的上升和全球老齡化問題的加劇，健康監(jiān)測和醫(yī)療護(hù)理備受關(guān)注?？纱┐魃镌O(shè)備作為一種極具前景的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多種生理信號的定期和持續(xù)監(jiān)測。然而，傳統(tǒng)硬質(zhì)電子材料在電導(dǎo)率、機(jī)械響應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)性上難以與生物組織相匹配，且難以貼合不規(guī)則的柔性表面。相比之下，柔性二維材料因具備量子限域效應(yīng)、豐富的化學(xué)組成和易于組裝的特性，展現(xiàn)出集成力學(xué)、導(dǎo)電和光電功能的潛力，為可穿戴生物設(shè)備的應(yīng)用帶來了獨(dú)特優(yōu)勢。

圖1. 基于二維材料的可穿戴設(shè)備及其在人體健康傳感中的應(yīng)用。 II二維材料在可穿戴生物設(shè)備中的優(yōu)勢 在可穿戴生物設(shè)備領(lǐng)域，二維材料的探索與創(chuàng)新應(yīng)用已成為研究前沿。其原子級厚度與高比表面積賦予其在傳感領(lǐng)域中優(yōu)異的靈敏度、低檢測限和良好的變形能力，能夠有效滿足可穿戴傳感設(shè)備的需求。此外，二維材料的優(yōu)異機(jī)械性能、適形性及范德華相互作用，使其在多功能集成系統(tǒng)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于氣體傳感、光學(xué)和電子設(shè)備等領(lǐng)域。

圖2.二維材料在可穿戴設(shè)備中的優(yōu)勢。二維材料憑借其原子級厚度，展現(xiàn)出卓越的柔韌性，能夠緊密貼合生物組織。其范德華力相互作用使得構(gòu)建具備定制性能的多功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能。同時，二維材料的多元素特性為可穿戴技術(shù)的創(chuàng)新提供了新的機(jī)遇。 III健康監(jiān)測 二維材料憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，在健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。日常生活中的生物物理信號(如機(jī)械力、溫度信號等)、電生理信號和化學(xué)信號(如氣體、代謝物等)蘊(yùn)含著豐富的健康信息。集成式可穿戴設(shè)備已成為實(shí)時跟蹤和分析這些信號的有效工具，促進(jìn)人機(jī)交互并實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測。制造技術(shù)的進(jìn)步和新材料的發(fā)展推動了可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新，為解決醫(yī)療難題提供了新的解決方案。二維材料的原子級厚度、高載流子遷移率和優(yōu)異的柔韌性，使得輕量化、微型化及高靈敏度的多功能可穿戴設(shè)備成為可能。

圖3. 基于二維材料的可穿戴傳感器在人體復(fù)雜生理信號監(jiān)測中的應(yīng)用：包括物理、電生理和化學(xué)信號的監(jiān)測。

圖4. 二維材料可穿戴設(shè)備在機(jī)械信號檢測的應(yīng)用。(a) 基于石墨烯的三維電容式觸摸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 手指靠近時手掌上三維電容式觸摸傳感器的光學(xué)圖像；(c) 手指接近器件時其相對電容變化的映射圖；(d) TPU-BNNS電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(e) TPU-BNNS應(yīng)變傳感器在0-100%應(yīng)變之間循環(huán)30次以上時，應(yīng)變傳感器飽和溫度的波動范圍；(f) TPU-BNNS傳感器在100%下循環(huán)測試5000余次，內(nèi)插圖展示了標(biāo)記區(qū)域的放大視圖。

圖5. 二維材料可穿戴設(shè)備在高靈敏度和動態(tài)機(jī)械信號監(jiān)測中的應(yīng)用。(a) 通過Ti?C?T?納米片的端基基團(tuán)對PVDF聚合物鏈進(jìn)行原位拉伸和取向以提高自發(fā)極化的示意圖；(b) 通過結(jié)構(gòu)建模展現(xiàn)PVDF/MXene復(fù)合織物壓電勢分布；(c) 基于MXene的壓電傳感器用于步態(tài)監(jiān)測；(d) 石墨烯基電子紋身血壓檢測示意圖；(e) 石墨烯基電子紋身血壓檢測原理示意圖；(f) 石墨烯基電子紋身與商用血壓檢測設(shè)備的檢測性能比較。

圖6. 二維材料可穿戴設(shè)備用于體溫檢測。(a) PU/石墨烯封裝PEDOT:PSS纖維制備的織物；(b) 在36.1-37.8°C溫度范圍內(nèi)復(fù)合纖維的電流特性；(c) 不同溫度下復(fù)合纖維表現(xiàn)出的電阻穩(wěn)定性；(d) 基于MoS?溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(e) 基于MoS?溫度傳感器在不同加熱周期和彎曲狀態(tài)下的靈敏度；(f) 傳感器的動態(tài)循環(huán)電響應(yīng)和恢復(fù)曲線；(g) 通過原子層沉積技術(shù)將Ru與V-MXene復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)示意圖；(h) 基于接觸式和非接觸式傳感的溫度傳感器測試圖；(i) 制備的溫度傳感器的相對電阻變化與溫度的關(guān)系。

圖7. 二維材料可穿戴設(shè)備用于電生理信號檢測。(a) MXene基表皮傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。(b) MXene基表皮傳感器用于心電檢測；(c) MXene基表皮傳感器與商用傳感器在EMG檢測中的性能比較；(d) 石墨烯基電子皮膚結(jié)構(gòu)示意圖；(e) 使用PTG、純PEDOT: PSS和Ag/AgCl傳感器測量的眼電圖；(f) PTG采集手指運(yùn)動的表面肌電圖；(g) 用于ERG監(jiān)測的石墨烯基角膜接觸鏡結(jié)構(gòu)示意圖；(h) Parylene-C和石墨烯接觸鏡器件的光學(xué)透過率；(i) 石墨烯接觸鏡器件與商用電極ERG監(jiān)測性能的比較。

圖8. 二維材料可穿戴設(shè)備在健康相關(guān)氣體檢測中的應(yīng)用。(a) 基于In?O?/g-C?N?異質(zhì)結(jié)的NO?氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 光強(qiáng)度對In?O?/g-C?N?基傳感器性能的影響；(c) 在可見光照射下In?O?/g-C?N?基傳感器對100 ppb和1 ppm NO?重復(fù)性檢測；(d) 基于PtSe?的NH?傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(e) PtSe?基NH?傳感器在平坦?fàn)顟B(tài)和1/4 mm?1曲率應(yīng)變下的檢測限比較；(f) PtSe?基NH?傳感器與其他過渡金屬二硫化物基氣體傳感器的性能比較；(g) SnS?基NO傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(h) SnS?基傳感器在不同NO濃度下的傳感性能；(i) 不同呼氣NO濃度下SnS?基傳感器的靈敏度變化。

圖9. 二維材料可穿戴設(shè)備用于體液檢測。(a) 石墨烯基汗液傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 石墨烯電極在體液傳感器中減少離子擴(kuò)散路徑的示意圖；(c) 石墨烯基傳感器的離子干擾測試；(d) MXene基體液傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；(e) MXene基體液傳感器測量餐前和餐后葡萄糖水平；(f) 運(yùn)動過程中乳酸傳感器在各時間點(diǎn)的電流響應(yīng)；(g) 改性石墨烯-Nafion生物傳感器用于細(xì)胞因子生物標(biāo)志物檢測的示意圖；(h) 生物傳感器暴露于不同濃度IFN-γ的信號響應(yīng)曲線；(i) 多次循環(huán)再生的石墨烯-Nafion傳感器檢測IFN-γ的曲線。 IV智能可穿戴設(shè)備 隨著健康監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，持續(xù)監(jiān)測和記錄身體活動的智能可穿戴設(shè)備變得日益重要。傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備通常依賴外部電源來監(jiān)測人體生理信號，但隨著醫(yī)療設(shè)備市場需求的增長及二維材料和新制造技術(shù)的廣泛研究，集自供電、人工智能、疾病診斷和治療功能于一體的智能可穿戴設(shè)備的開發(fā)進(jìn)程正在加速。當(dāng)前的研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的智能化功能，以充分發(fā)揮其在提升生活水平和質(zhì)量方面的巨大潛力。

圖10. 基于二維材料的自供電可穿戴設(shè)備。(a) MXene/PVA自供電器件的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 基于MXene/PVA器件的摩擦充電機(jī)制；(c) 用于手寫識別的基于MXene/PVA的智能可穿戴設(shè)備；(d) 無電池的生物燃料供電電子皮膚示意圖；(e) 健康成人汗液樣本中生物燃料電池的功率密度曲線；(f) 基于石墨烯的傳感器對溫度、pH值和葡萄糖的監(jiān)測；(g) GO基自供電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(h) GO基自供電傳感器檢測不同頻率的呼吸信號；(i) GO基自供電傳感器在水面上不同距離處短路電流(ΔI)的變化。

圖11. 二維材料可穿戴設(shè)備在人機(jī)交互中的應(yīng)用。(a) 基于MXene的人工耳蝸植入物裝置示意圖；(b) 基于MXene人機(jī)交互設(shè)備的兩階放大工作原理；(c) 使用t-SNE降維技術(shù)對280種語音的發(fā)音信息進(jìn)行可視化呈現(xiàn)；(d) 基于MoS?的有源矩陣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(e) 不同運(yùn)動狀態(tài)下MoS?的電阻變化率與呼吸濕度的關(guān)系；(f) MoS?和納米石墨烯傳感器的電阻變化率在傳感器與皮膚距離約2 mm時的映射圖，下圖為相應(yīng)的相對濕度和應(yīng)變分布；(g) 基于GO的人機(jī)交互傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(h) 氫離子在梯度擴(kuò)散作用下，在傳感器的兩端產(chǎn)生電位差；(i) 八種手語動作下傳感器接收的壓力變化數(shù)據(jù)序列。

圖12. 基于二維材料的診斷與治療集成系統(tǒng)。(a) 用于慢性眼表炎癥的診斷與治療集成系統(tǒng)示意圖；(b) 抗原功能化的石墨烯修飾和抗原抗體反應(yīng)的示意圖；(c) MMP-9濃度檢測與熱敷貼的瞬時溫度控制；(d) 用于糖尿病患者的智能貼片示意圖，包含汗液調(diào)節(jié)、傳感和治療部分；(e) 生物可吸收微針的示意圖。(f) 治療組與對照組的糖尿病小鼠血糖濃度對比；(g) 基于石墨烯的診斷與治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能示意圖。(h) 腎臟壞死診斷實(shí)驗(yàn)裝置圖；(i) 三組不同治療方式(無貼片、貼片未加熱、貼片且加熱)在10天內(nèi)平均創(chuàng)面面積的比較。 V其他 具有類皮膚特性的可穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)人體信號的持續(xù)監(jiān)測，但現(xiàn)有器件的設(shè)計主要集中于捕捉皮膚表面信號，難以全面反映健康狀況和疾病狀態(tài)。相比之下，深層組織信號(如電生理、代謝、循環(huán)、熱量和機(jī)械參數(shù)等)與疾病發(fā)展和癥狀密切相關(guān)，但由于皮膚和肌肉骨骼系統(tǒng)的屏蔽，獲取這些信號仍面臨挑戰(zhàn)。在此背景下，基于二維材料的植入式可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，能夠有效探測深層組織信號，推動可穿戴設(shè)備從外部監(jiān)測向體內(nèi)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。

圖13. 基于二維材料的植入式可穿戴設(shè)備。(a) 基于石墨烯的多陣列柔性微電極陣列結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 通過柔性石墨烯微電極陣列柔性陣列記錄大鼠皮質(zhì)外神經(jīng)活動的示意圖；(c) 通過柔性石墨烯微電極陣列記錄響應(yīng)16 kHz刺激所誘發(fā)的神經(jīng)活動的圖表；(d) 透明且柔性的64通道石墨烯陣列，放大部分顯示石墨烯線路(白色虛線)；(e) 鉑納米顆粒沉積前后，在1 kHz下測量的64個通道的阻抗分布圖；(f) 在不同通道上觸發(fā)的多單元活動波形圖；(g) 石墨烯心臟貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；(h) 石墨烯心臟貼片用于信號監(jiān)測的心臟貼片示意圖；(i) 瀕死大鼠在10分鐘內(nèi)的心房和心室信號的平均振幅統(tǒng)計。

來源：納微快報