【引言】

可穿戴傳感技術(shù)已經(jīng)在生物醫(yī)學領(lǐng)域中獲得越來越多的關(guān)注，因為它們可以通過實時檢測各種生理信號來有效地監(jiān)測健康狀況。傳感部件通常制成薄膜，以不同的傳感材料作為不同位置的功能單元，保證高度靈活性。然而，薄膜傳感器在使用過程中容易破裂，因為它不能適應柔軟或不規(guī)則的身體表面。此外，它們既不透氣也不舒適，而舒適性和透氣性是可穿戴電子產(chǎn)品非常需要的。上述困難在很大程度上限制了可穿戴傳感器的進一步發(fā)展。另外，織物傳感器需要長期使用而不會給使用者帶來不適，并且可以在實際應用中大規(guī)模制造。然而，目前還沒有這種集成的織物傳感器。

【成果簡介】

近日，在復旦大學彭慧勝教授（通訊作者）團隊的帶領(lǐng)下，展示了集成電化學織物作為一種有前途的可穿戴平臺，通過編織不同類型的傳感纖維實時健康監(jiān)測。通過將活性材料涂覆到碳納米管（CNT）纖維上以形成同軸結(jié)構(gòu)來構(gòu)造傳感纖維。測試了幾種代表性生理信號（例如，葡萄糖、Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH）以證明新型織物傳感器的有效性。由此產(chǎn)生的集成織物在重復變形（包括彎曲和扭曲）下保持結(jié)構(gòu)完整性和檢測能力。它們顯示了實時監(jiān)測人體健康狀況的能力，具有高效性。相關(guān)成果以題為“Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring”發(fā)表在了Adv. Funct. Mater上。

【圖文簡介】

圖1 編織傳感纖維制造電化學織物的示意圖

通過編織傳感纖維制造電化學織物的示意圖，其通過在碳納米管（CNT）纖維基底上沉積活性材料制成。

圖2 傳感纖維的表征

a）在彎曲角度為90°時，彎曲循環(huán)次數(shù)對纖維電極上電阻的依賴性。這里R₀和R對應于彎曲前后的電阻。插圖顯示了纖維電極的初始電阻。

b）在含有Fe(CN)₆^3-/^4-的磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中不同纖維電極的CV曲線（用商業(yè)Ag/AgCl電極掃描速率為100 mV s^-1）。

c）碳納米管纖維、碳纖維和金絲電極的歸一化面積。

d-e）分別在低和高放大倍數(shù)下CNT纖維的SEM圖像。

f-g）分別為PB和葡萄糖感應纖維的葡萄糖氧化酶層的SEM圖像。

h）一卷葡萄糖感應纖維的照片。

i-j）分別為葡萄糖感應纖維包裹在管子周圍和編織成具有“傳感器”字母的織物。

圖3 不同的分析物溶液監(jiān)測傳感纖維的性能

a）與商業(yè)固態(tài)Ag/AgCl電極相比，合成后的Ag/AgCl纖維電極的電位穩(wěn)定性。b）葡萄糖感應纖維對磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中各自分析物溶液的計時電流響應。

c-f）Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維對PBS中各分析物溶液的開路電位響應。

圖4 L不同傳感纖維的重現(xiàn)性測試

a-e）分別為葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維的重現(xiàn)性。四種顏色代表每種傳感器的四種不同樣品。

圖5 不同傳感纖維對個體的干擾研究

a-e）分別為葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維對個體的干擾研究

圖6 集成不同種類傳感纖維的電化學織物的性能表征

a）織物中葡萄糖感應和Ag/AgCl參比纖維的SEM圖像。

b）在浸泡之前和之后（模擬汗液）的電化學織物的照片。

c）彎曲和扭曲下電化學織物的照片。

d）在反復彎曲和扭曲下電化學織物中傳感纖維的柔韌性。

e）電化學織物中傳感纖維的系統(tǒng)級干擾研究。

圖7 集成電化學織物的應用和示范

a）受試者跑步時穿著服裝裝置的照片。插圖顯示了定制開發(fā)的應用程序通過智能手機無線接收數(shù)據(jù)。

b）使用服裝設(shè)備進行實時汗液分析。

c）將收集的汗液樣品的原位數(shù)據(jù)與原位樣品進行比較。使用傳感纖維測量。通過使用ICP-AES（Na⁺、K⁺和Ca²⁺），pH計（pH）和酶-電極法（葡萄糖）測量。

【小結(jié)】

團隊通過集成不同類型的傳感纖維作為實時健康監(jiān)測的強大平臺，開發(fā)出可穿戴電化學織物。織物同時獲得五種生理信號，即葡萄糖，Na⁺，K⁺，Ca²⁺和pH，并且在重復變形（例如彎曲和扭曲）下可以很好地保持傳感性能。這項工作為下一代可穿戴傳感器和其他柔性電子設(shè)備的開發(fā)提供了一般而有前景的策略。據(jù)我們所知，這是第一份集成電化學織物傳感器的報告，可有效檢測各種生理信號。該報告為可穿戴傳感器開辟了新的方向，在不久的將來，它可能被商業(yè)化應用于多種應用。另一方面，未來仍需要進一步改進實際應用。

 文獻鏈接：Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring（Adv. Funct. Mater,2018,DOI：10.1002/adfm.201804456）