可穿戴生物設(shè)備的快速發(fā)展推動(dòng)了柔性多功能材料在健康監(jiān)測(cè)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(cè)和個(gè)性化健康管理的趨勢(shì)。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(shì)、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(píng)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(shì)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(shì)、傳感機(jī)制及潛在應(yīng)用，并對(duì)基于二維材料的前沿生物傳感器件進(jìn)行了系統(tǒng)分類(lèi)和概述。

3.針對(duì)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(wèn)題，并提出了潛在的解決方案。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

可穿戴生物傳感器是一種無(wú)創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)的電子器件，廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、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(jí)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(duì)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(shì)、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(hào)的交互機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)。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(jiǎn)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(duì)關(guān)鍵問(wèn)題提出了應(yīng)對(duì)策略，為推動(dòng)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(wèn)題的加劇，健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療護(hù)理備受關(guān)注。可穿戴生物設(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(hào)的定期和持續(xù)監(jiān)測(cè)。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(lái)了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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(shì) 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(jí)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(cè)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(shì)，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(shì)。二維材料憑借其原子級(jí)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(shí)，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(cè) 二維材料憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，在健康監(jiān)測(cè)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(hào)(如機(jī)械力、溫度信號(hào)等)、電生理信號(hào)和化學(xué)信號(hào)(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(shí)跟蹤和分析這些信號(hào)的有效工具，促進(jìn)人機(jī)交互并實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)。制造技術(shù)的進(jìn)步和新材料的發(fā)展推動(dòng)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(jí)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(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用：包括物理、電生理和化學(xué)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

圖4. 二維材料可穿戴設(shè)備在機(jī)械信號(hào)檢測(cè)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(shí)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(shí)其相對(duì)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(shí)，應(yīng)變傳感器飽和溫度的波動(dòng)范圍；(f) TPU-BNNS傳感器在100%下循環(huán)測(cè)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(dòng)態(tài)機(jī)械信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。(a) 通過(guò)Ti?C?T?納米片的端基基團(tuán)對(duì)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(guò)結(jié)構(gòu)建模展現(xiàn)PVDF/MXene復(fù)合織物壓電勢(shì)分布；(c) 基于MXene的壓電傳感器用于步態(tài)監(jiān)測(cè)；(d) 石墨烯基電子紋身血壓檢測(cè)示意圖；(e) 石墨烯基電子紋身血壓檢測(cè)原理示意圖；(f) 石墨烯基電子紋身與商用血壓檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)性能比較。

圖6. 二維材料可穿戴設(shè)備用于體溫檢測(cè)。(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(dòng)態(tài)循環(huán)電響應(yīng)和恢復(fù)曲線；(g) 通過(guò)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(cè)試圖；(i) 制備的溫度傳感器的相對(duì)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(hào)檢測(cè)。(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(cè)；(c) MXene基表皮傳感器與商用傳感器在EMG檢測(cè)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(cè)量的眼電圖；(f) PTG采集手指運(yùn)動(dòng)的表面肌電圖；(g) 用于ERG監(jiān)測(cè)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(guò)率；(i) 石墨烯接觸鏡器件與商用電極ERG監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)In?O?/g-C?N?基傳感器性能的影響；(c) 在可見(jiàn)光照射下In?O?/g-C?N?基傳感器對(duì)100 ppb和1 ppm NO?重復(fù)性檢測(cè)；(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(cè)限比較；(f) PtSe?基NH?傳感器與其他過(guò)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(cè)。(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(cè)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(cè)量餐前和餐后葡萄糖水平；(f) 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中乳酸傳感器在各時(shí)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(cè)的示意圖；(h) 生物傳感器暴露于不同濃度IFN-γ的信號(hào)響應(yīng)曲線；(i) 多次循環(huán)再生的石墨烯-Nafion傳感器檢測(cè)IFN-γ的曲線。 IV智能可穿戴設(shè)備 隨著健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，持續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄身體活動(dòng)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(lài)外部電源來(lái)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)，但隨著醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)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(kāi)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(xiě)識(shí)別的基于MXene/PVA的智能可穿戴設(shè)備；(d) 無(wú)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(duì)溫度、pH值和葡萄糖的監(jiān)測(cè)；(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(cè)不同頻率的呼吸信號(hào)；(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(duì)280種語(yǔ)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(dòng)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(shí)的映射圖，下圖為相應(yīng)的相對(duì)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(yǔ)動(dòng)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(cè)與熱敷貼的瞬時(shí)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(duì)照組的糖尿病小鼠血糖濃度對(duì)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(wú)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(lèi)皮膚特性的可穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)人體信號(hào)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，但現(xiàn)有器件的設(shè)計(jì)主要集中于捕捉皮膚表面信號(hào)，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(hào)(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(hào)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(cè)深層組織信號(hào)，推動(dòng)可穿戴設(shè)備從外部監(jiān)測(cè)向體內(nèi)監(jiān)測(cè)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(guò)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(dòng)的示意圖；(c) 通過(guò)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(dòng)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(cè)量的64個(gè)通道的阻抗分布圖；(f) 在不同通道上觸發(fā)的多單元活動(dòng)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(hào)監(jiān)測(cè)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(hào)的平均振幅統(tǒng)計(jì)。

來(lái)源：納微快報(bào)