莫纳什大学程文龙教授《Chem. Rev.》：面向互联医疗的下一代柔性可穿戴生物电子材料与器件

2024-01-14 来源：高分子科技

在物联网时代，虽然许多事物能够实现互联，但生物系统，尤其是与人类健康密切相关的系统，由于缺乏柔性生物传感器而无法与全球互联网保持连接。这一根本挑战在于电子学和生物学的本质差异以及它们所基于的不同材料和工作原理。近年来，材料和材料设计，尤其是低维纳米材料的重大进展为柔软可穿戴生物电子设备的设计提供了巨大机遇，有望弥合这一差距，实现随时随地的医疗互联。

澳大利亚莫纳什大学程文龙教授及其团队基于其在可穿戴低维纳米生物电子器件的研究基础，近期在《Chemical Review》上发表了题为“Materials-Driven Soft Wearable Bioelectronics for Connected Healthcare”的综述文章。这篇综述文章系统回顾了医疗保健历史的发展，突显下一代互联医疗的显著趋势，重点讨论了低维纳米材料的类型、属性及其合成制备方法，强调了软硬材料间界面控制在智能柔性器件的大规模集成中扮演的重要角色，同时探讨了可穿戴传感及能源方面的挑战和迄今为止的进展。除了前端可穿戴设备，该综述还详细总结了后端的机器学习算法、人工智能以及远程通信等技术，并着重介绍了下一代可穿戴系统在临床方面的最新进展。

图1：医疗系统从历史到未来互联医疗的演变。

该综述首先通过回顾人类医疗系统的演变，特别是COVID大流行三年以来对传统医疗系统的冲击与挑战，强调了未来基于病人的互联医疗系统的必要性（图1）。同时，作者对这一全新医疗模式进行了详细介绍（图2）。利用可穿戴诊疗及供能设备、无线连接技术、云存储技术以及医生的审查和及时干预实现病人生理数据的无缝收集和实时分析。此外，通过对大量数据进行算法训练，人工智能可以配合医疗人员建立诊断模型，提高诊断效率和准确性并最终实现自动决策。

图2：未来互联医疗系统的方案。

图3：典型一维纳米材料：垂直纳米金线。

其次，作者介绍了典型的零维、一维、二维纳米材料及其纳米结构的合成、制备和应用。重点介绍了金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子、碳纳米管、石墨烯等常用低维纳米材料（图3）通过自上而下或自下而上的策略开发的柔性可穿戴电子器件。例如，通过湿化学合成、电化学沉积、光刻、电纺、激光剥蚀等方式，纳米粒子可以被加工成具有优异机电性能的电子墨水、电子纤维、电子皮肤甚至电子纹身，实现与生物体的适形贴合、信号采集以及与手机、计算机等电子设备的实时交互（图4，5）。

图4：基于低维纳米材料的柔性生物电子器件自上而下的加工策略。

图5：基于低维纳米材料的柔性生物电子器件自下而上的加工策略。

同时，为满足未来互联医疗的多样化需求，柔性电子器件需要具有一定的表面黏附性、透气性、生物相容性和长期稳定性。多尺度界面控制是减轻柔性电子集成中软硬组件机械不匹配的关键一环（图6）。在分子尺度上，柔性配体必须经过精心选择，用于电子墨水中纳米材料的合成和分散。除此之外，高分子键合还是增强刚性纳米材料与柔性基底之间表面黏附的有效工具。在纳米尺度上，作者介绍了一系列纳米结构界面设计（包括平面、逐层和嵌入式结构等）以实现软硬界面之间的均匀分布和牢固黏附。在微米尺度上，曲线、褶皱、以及三维多级曲线设计赋予了刚性材料一定程度的可伸缩性。在宏观尺度上，电子织物器件可以将众多具有不同功能的电子器件完全集成于日常衣物中，实现多功能体外监测。

图6：分子尺度、纳米尺度及微米尺度的软硬界面控制策略。

随后，该文章介绍了基于低维纳米材料的柔性集成策略，其中包括传感器、处理器、存储和输出接口，并由可穿戴电源模块提供能量（图7）。作者指出，虽然基于低维纳米材料的柔性传感设备已展现出优异的穿戴舒适性，但其他诸如柔性处理器、存储和输出组件，依然面临刚性较大、可靠性不足等挑战。为了应对这一问题，混合电子技术的概念已被提出，即通过发展刚柔结合的复杂多功能系统改善互联医疗器件的整体穿戴舒适性以及系统可靠性。例如，最新的进展展示了包括柔性多模态传感器、柔性电路、刚性无线连接设备以及柔性电源等一系列器件的混合电子系统。

图7：柔性电子系统集成示意图。

图8：下一代可穿戴互联医疗系统在疾病治疗、运动监测、呼吸监测以及老年护理等方面的应用。

随后，作者介绍了基于低维纳米材料的柔性器件在临床医疗领域的最新应用。其在疾病监测、运动检测、呼吸监测、老年护理、伤口愈合监测、柔性医用机器人等方面正发挥越来越重要的作用。最后，作者指出了医用低维纳米材料在柔性电子领域存在的问题、拥有的机遇和挑战，为今后的研究指明了方向。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00502

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（责任编辑：xu）

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