AFM | 一维柔性传感器在医疗领域的应用进展与未来

星标“医工学人”，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~

医疗保健传感设备能够连续监测各种生物信号，例如呼吸、心跳、体温、炎症、脑电图（EEG）和生物力学运动，有助于健康状况管理和疾病的早期诊断。然而，临床上可用的工具由于其笨重、复杂的设计和僵化，在非医院环境中实时测量生物信号方面存在一些局限性。

为了解决这些局限性，越来越多的研究探索了用于医疗保健应用的柔性和软性电子产品，这些电子产品具有很高的机械顺应性和适应性。特别是基于光纤结构的传感器件，由于灵活性高、设计轻量化、工作空间大、结构适应性强等特点，备受关注。此外，一维传感设备可以无缝集成到具有复杂结构的服装和人体中，而不会出现任何不整合。

6月28日，Advanced Functional Materials在线报道了各种基于光纤的应变、压力、温度、pH、生物标志物和神经活动传感系统的最新进展，同时还简要讨论了可生物降解的基于光纤的传感器件作为未来的医疗保健技术及当前挑战。

背景

一维传感器可以很好集成到复杂结构的服装和人体中

医疗传感设备通过测量各种生理参数（如呼吸、心跳、体温、炎症、脑电波和生物力学运动）作为精确诊断和疾病预防的评估工具。提供这种生物信息有助于健康管理和早期疾病检测。然而，目前可用的临床工具由于笨重、复杂的结构和刚性，在非医院环境中连续检测生物信号的效率较低。因此，为了实现最佳的健康管理和诊断，可穿戴和植入式医疗传感设备应满足几个关键要求。特别是，可穿戴医疗保健传感设备需要机械合规性以适应日常活动中可能出现的机械变形、长期使用的透气性和舒适性、耐用性和低功耗。此外，可水洗性和可编织性也很重要，特别是对于基于纺织品的可穿戴传感系统。人体的植入式传感设备必须表现出生物相容性和高机械柔软性，以尽量减少与周围组织的机械不匹配。消除这种错配对于防止长期体内使用期间的异物反应和炎症反应至关重要。此外，稳定适应复杂身体结构的结构适应性和高效的固定技术，可以在潮湿和动态的体内环境中将设备牢固地锚定到目标部位，对于在临床实践中的成功应用也至关重要。为了满足这些基本要求，各种柔性和软性电子产品已被广泛开发，其特点是具有高度的机械顺应性和适应性。此外，该技术已发展成为超可拉伸薄膜和基于光纤的电子设备，以增强与复杂目标站点的一致性。

基于光纤的传感设备因其独特的纤维结构、卓越的灵活性、轻量化设计、有效的工作空间利用率和结构适应性等优势特性，在医疗保健应用中引起了极大的关注。

本文重点介绍各种基于光纤的传感设备的最新进展，特别关注电气功能化光纤组件、传感器分类和性能评估（图 1）。

图1 光纤传感器件概述，包括光纤基板的制造工艺、各种类型的光纤传感器件和可生物降解的光纤传感器件。

柔性材料基纤维电极的制备工艺

柔软和柔韧的光纤基板是基于光纤的传感设备的关键特征

热拉丝工艺是大规模生产中使用的典型纤维制造方法，在纤维生产中具有高度均匀性。

图2 纤维基板的典型制造工艺 a）使用热拉伸工艺制造的纤维示意图。b）具有多层结构的阶跃折射率纤维的显微图像。c）微结构软光纤的显微图像。a–c）经参考文献 [46] 许可转载。版权所有 2018， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.d）用于生产纤维基材的熔融纺丝工艺示意图。e）通过改变缠绕速度对熔纺纤维进行扫描图像。d，e）经参考文献 [49] 许可转载。版权所有 2022， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.f）用于制造纤维基材的湿法纺丝工艺示意图。g）在缠绕轴上收集的湿纺纤维的摄影图像。h）多层结构光纤基板的横截面光学图像。f–h）经参考文献 [53] 许可转载。版权所有 2021， Elsevier Ltd. i）用于生产微型聚合物纱线的静电纺丝工艺示意图。j）使用捻线机和卷取辊的静电纺丝工艺生产的均匀光滑的聚合物纤维的照片。i， j）经参考文献 [60] 许可转载。版权所有 2017， Elsevier Ltd. k）改进的静电纺丝工艺以生产核壳结构纤维的示意图。

光纤基板的电功能化

电功能化是提高纤维性能的一种有前途的策略，特别是在导电性方面。此外，对光纤电极各种制造方法的探索导致了基于光纤的传感器件的重大发展。[22、73-75]然而，在单根光纤上实现导电微电极的复杂图案化仍然具有挑战性，现有的光纤电极功能化方法仍然具有挑战性，未来应进一步改进基于光纤的传感器件的光纤电极。

图3 光纤电极不同类型的电功能化 a）光纤电极的制备工艺示意图。b）制造的光纤应变传感器的摄影图像。c）横截面 SEM 图像和相应的 EDS 图像，显示金属纳米颗粒在纤维应变传感器中的分布。a–c）经参考文献 [69] 许可转载。版权所有 2021，美国化学学会。d）浸渍涂层可拉伸纤维导体的制备工艺示意图。e）制配制光纤导体的SEM图像。f）显示光纤导体中不同层的横截面 SEM 图像。d-f）经参考文献 [70] 许可转载。版权所有 2023，英国皇家化学学会。g）还原氧化石墨烯-聚氨酯（rGO/PU）的褶皱、可拉伸纳米杂化纤维（WSNF）的制备工艺示意图。h） rGO/PU/Au 的 WSNF 的 SEM 图像。g，h）

用于医疗保健的基于光纤的传感器

人体的生理信号（如呼吸、血压和心跳）可以通过使用各种类型的传感设备来测量。其中，应变传感器件广泛用于健康监测和生理信号跟踪，由于其高灵敏度，快速响应时间，感应范围大。特别是，基于光纤的应变传感器具有一维结构（1D），可很好地适应人体皮肤和器官。

图4 一维应变传感器。a）基于屈扣护套芯光纤的应变传感器的制备工艺示意图。b）显示光纤应变传感器以 90°（左）和 45°（右）的角度连接到实验室大鼠受伤的腿筋上的摄影图像。c）连接在大鼠腿上的纤维应变传感器在不同水平的循环腿部伸展运动下的相对阻力响应。a–c）经参考文献 [32] 许可转载。版权所有 2018， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.d）螺旋结构光纤应变传感器示意图。插图描绘了 0% 和 80% 拉伸应变下的 HFSS。e）具有不同拉伸应变的 HFSS 方案：（i）无拉伸应变，（ii）在拉伸应变下，以及（iii）完全拉伸。（f）腹式呼吸和（g）胸式呼吸下HFSS在坐姿和卧姿下的电反应。d–g）经参考文献 [33] 许可转载。版权所有 2022，美国化学学会。h）基于单根光纤电极的无源无线应变传感系统示意图。i）显示植入迷你猪体内的纤维应变传感器与腿部各种弯曲和拉伸运动相关的无线测量的摄影图像。j）植入的无线无线光纤应变传感器在植入后（左）和 3 周后（右）猪腿反复弯曲和拉伸周期期间的谐振频率响应。

图5 一维压力传感设备 a）压力传感光纤收敛热拉工艺示意图，其特点是将三明治结构的光纤封装在包层中。b）用压力传感光纤制造的 2D 网格，用于手指刺激。c）手指按压光纤的反射系数响应。a–c）经参考文献 [34] 许可转载。版权所有 2020， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.d） F-TENG的示意图和摄影图像。e） F-TENG操作机理示意图。f） F-TENG 在 30°、60° 和 90° 不同手指弯曲角度下的电响应。d–f）经参考文献 [35] 许可转载。版权所有 2020， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.g）显示智能手套以十字形形式与 AuNPC-MoS2 复合涂层纤维集成的照片。h）显示压力传感器在施加压力下的物理变形的方案。i）夹持和释放苹果时压力传感器的阻力变化。g–i）经参考文献 [36] 许可转载。版权所有 2020，美国化学学会。j） IEPY结构示意图。k）使用IEPY制造足部压力传感设备的传感器阵列的照片图像。l）足部压力传感装置在脚部的输出信号，与人类行走有关。

图6 一维温度传感设备。a）基于rGO的光纤温度传感器直接编织成织物并佩戴在手臂上的原理图。b）光纤温度传感器根据减少时间的电阻响应。c）测量手腕皮肤温度的传感装置的电流响应。a–c）经参考文献 [37] 许可转载。版权所有 2018， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.d）描绘温度传感器和氨纶纤维的照片。e）带有集成定制无线发射器和温度传感器的智能手套的摄影图像。f）在烤箱和冰箱内抓握手势时描绘智能手套的红外图像。d–f）经参考文献 [38] 许可转载。版权所有 2020， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.g）可拉伸荧光光纤传感器的示意图和摄影图像，显示来自光纤传感器的荧光。h）预制光纤传感器和热敏电阻的热响应。i）集成到医用口罩中的光纤传感器的光强度响应，以监测不同的呼吸方式。

图7 一维生化传感设备。 （a）纺织品中的葡萄糖传感器和（b）工作电极的结构示意图。c）可拉伸纤维基葡萄糖传感器对葡萄糖浓度的电流响应。d）集成到弹性袜子中的可拉伸葡萄糖传感器的摄影图像（a–d）经参考文献 [40] 许可转载。版权所有 2019，美国化学学会。e）三电极电化学传感器的预制坯制造和收敛热拉伸工艺图示。f）制造纤维的照片和纤维的横截面光学显微图像。g）显示便携式电子系统的方案和照片。h）便携式传感系统对不同扑热息痛浓度的电流响应。e–h）经参考文献 [41] 许可转载。版权所有 2021，美国化学学会。i）基于扣纤的pH传感器的制备工艺示意图。j）基于屈曲纤维的pH传感器的电响应。k）基于拉伸应变的带扣纤维pH传感器在拉伸应变下的稳定传感性能图。i–k）经参考文献 [42] 许可转载。版权所有 2023，美国化学学会。l）显示制造的 pH 传感器和蓝牙读出 PCB 以及连接的传感器束的摄影图像。m） pH传感系统与织物集成用于身体测试的图片。n）传感器在一定浓度的人造汗液中的pH响应。

图8 基于光纤的神经记录设备 （a）基于石墨烯的纤维和涂层的结构。b）打结石墨烯基纤维的SEM图像。c）成年大鼠大脑皮层中插入的石墨烯基纤维的摄影图像。d）在 10 分钟内获得的测量神经信号（1543 个单单位信号）。a–d）经参考文献 [44] 许可转载。版权所有 2019， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.e）碳纳米管（CNT）基纤维的SEM图像。f）液压助力纤维插入系统。g）使用液压力辅助纤维插入系统插入的基于 CNT 的纤维的摄影图像。h）记录来自大鼠腹侧 3.57 毫米的脑电图信号。e–h）经参考文献 [45] 许可转载。版权所有 2017，美国化学学会。i）液态金属颗粒基可拉伸纤维的示意图和摄影图像。j）用于海马CA1区域神经记录的插入液态金属颗粒基可拉伸纤维示意图。k）记录纤维电极原始状态和拉伸状态下的神经信号。

图9 基于可生物降解的显微传感设备。 （a） BPU/CNT 纤维在 300% 应变下的摄影图像。b）使用 BPU/CNT 应变传感器检测膝关节弯曲运动。（c） 0 周和（d） 5 周后 BPU/CNT 纤维生物降解的 SEM 图像。a–d）经参考文献 [186] 许可转载。版权所有 2022，美国化学学会。e） BC/CNT/PPy超细纤维的摄影图像。f） BC/CNT/PPy超细纤维在纤维素酶溶液中132 h后的降解实验。g）织物基TENG结构示意图。h）基于织物的 TENG 作为自供电传感器的示意图，该传感器连接到人体的不同部位（脚后跟、躯干侧面、肘部和膝关节），以测量机械运动，例如行走、跑步、跳跃、手臂抬起、手臂弯曲和腿部抬起。i）完全可生物降解的纤维电极示意图。j）磷酸盐缓冲盐水（55°C，pH 7.4）中可生物降解纤维电极的摄影图像，用于评估溶解性能。k）可生物降解的基于纤维的温度传感装置直接缝合在人造皮肤垫上的照片。l）可生物降解纤维传感器在温度升高时的电阻响应。

结论与展望

该文章介绍了基于光纤的传感设备的最新进展，特别是在医疗保健应用方面。讨论了包括用于传感设备的光纤支架的制造和电气功能化过程，以及各种类型的基于光纤的传感器的进步，例如用于测量应变、压力、温度、pH、生物标志物和神经活动的传感器。此外，还讨论了可生物降解的基于光纤的传感器件的进展，该器件在使用后无需额外的手术进行移除。尽管用于医疗保健应用的基于光纤的传感设备取得了显着进步，但考虑到该技术的未来方向，仍然存在一些挑战。例如，

为了在实际场景中将基于光纤的传感设备集成到可穿戴和植入式系统中，不可避免地需要额外的处理模块来读取传感设备的输出信号并将数据传输到外部计算系统。

各种基于光纤的传感器件和电子系统最终应集成到单个光纤系统中，实现基于单个光纤的多功能系统，将这些技术带入实际应用。

▼扫码阅读英文原文

Kim, J., Kim, H., Lee, M., Lee, J., Lee, Y., Kim, D., Lee, J., 2024. Progresses and Perspectives of 1D Soft Sensing Devices for Healthcare Applications. Advanced Functional Materials.. https://doi.org/10.1002/adfm.202406651

*作者水平有限，中文编译仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。

欢迎文末留言参与讨论~

END

编辑 | 罗虎

来源 | Advanced Functional Materials

审核 | 医工学人

扫码注册加入医工学人，进入综合及细分领域群聊，参与线上线下交流活动