柔性传感技术在可穿戴医疗设备中的发展

章浩伟，孙丽丽，刘颖

上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海,200093)

0 引言

当前,我国人口老龄化日趋严重、慢性病患病率持续升高，因此全民疾病预防意识逐渐增强，研究者开始积极探索提前预防疾病，实时监测人体健康的方式方法。随着集成电子技术、材料科学、无线通信等领域的发展，不断涌现出类似于iWatch、小米手环等可穿戴运动健康类产品。已有诸多产品利用柔性传感技术，可佩戴于人体手臂、脚腕、耳后等多个部位，用于人体信号监测，如图1所示。但目前大部分产品均缺乏精准全面的临床数据获取功能。未来的可穿戴医疗设备希望通过柔软贴身的、无创的柔性电极结合无线通信技术，实现对人体疾病的精确有效监测，并将数据上传至共享端。

图1 典型的可穿戴生物传感器

柔性传感技术在医疗领域的重要价值，推动可穿戴医疗设备的快速发展。例如，葡萄糖检测仪[1]利用酶电极可直接用于连续测量人体血液中的葡萄糖含量，从而减少台式测量仪的使用。可穿戴医疗设备的核心技术包括材料技术、传感器技术、通信技术、人机交互技术[2]、能量采集与存储五大核心技术，其中传感模块为提取人体信息的第一步。为采集到准确全面的人体生理信息，正确的反馈出人体的健康状况，柔性传感技术的研究尤为重要[3]。本文结合近五年的文章，第一部分将着重介绍柔性传感技术中所用到的柔性材料以及柔性传感器的制造技术。第二部分将从医疗传感器的分类着手，综述各类型柔性传感器在可穿戴医疗设备中的发展与应用。最后总结了柔性可穿戴医疗设备的问题与挑战，并对其前景进行展望。

1 柔性传感技术

传统的高性能电子器件是由刚性半导体材料制成的，如硅、砷化镓等。刚性限制了电子器件与生物组织材料的兼容性。随着材料、机械和制造技术的进步，结合导电聚合物的出现[4]，柔性电子器件引起学者的关注。随着软光刻技术[5]的兴起，柔性电子器件进入了快速发展阶段。材料技术和制造技术是柔性传感技术的关键所在。

1.1 柔性传感器的材料技术

1.1.1 柔性材料用作基底

电极打印或沉积在柔性基底材料上，可使传感器更加动态地与生物组织交互。目前被广泛作为基底的材料有PET、PI、PDMS、PX、纤维素和薄云母片等。

PET(polyethylene terephthalate)为透明或半透明体，成膜性好，绝缘性优良，拉伸强度高，是一种常见的柔性基板。Gao团队[6]以PET为柔性基板，通过光刻和后续加工，制备出多传感器集成的汗液传感阵列，可检测人体汗液中的Na+、K+、葡萄糖、乳酸的浓度和体温信息，对于实现人体多方面健康信息的监测具有重要意义；PDMS(polydimethylsiloxane)是一种成本低、光学透明、惰性无毒的有机弹性体。Rogers团队[7]利用PDMS和PI制作出具有微流控结构的可穿戴汗液传感器，实现对汗液的精确控制，同时检测出人体汗液中的多种目标分析物。

1.1.2 柔性传感器用作传感介质

在柔性传感器的制作中，各种有机和无机材料，如金属氧化物、碳纳米管(CNT)、石墨烯、碳黑、有机聚合物等可根据自身优势，作为传感介质来构建柔性传感器。由于有机材料与无机材料在性能和价格上具有很好的互补性，因此混合材料在构建高性能传感器中具有很大的研究价值。

Sundaram等[8]采用压敏导电材料和正交导线构成柔性可拉伸触觉阵列传感器。该传感器利用正交导线之间力敏薄膜的电阻变化，记录大规模的触觉数据集。用于物体识别方面的研究，在机器人触觉识别领域有很大研究价值。Pruvost等[9]将碳黑(CB)掺入PDMS中制得CB/PDMS 复合导电聚合物泡沫，该薄膜既具有导电性又具有可拉伸性，将其置于量电容板之间，制作出高性能的电容式压力传感器。当压力<0.2 kPa时，灵敏度超过35 kPa-1, 可用于监测人体脉搏。

高分子导电聚合物薄膜虽具有良好的拉伸性和高敏感度，但其透气性差，长期佩戴在人体可能会引起皮肤局部发炎等不适。为了解决这一问题，Osman[10]利用电纺柔性PU纤维与PVDF纤维，以柔性PVDF纤维层作为压电层，制备出全纳米传感器，使心电和肌电信号的长期同步监测成为可能。但由于其拉伸性较差，在应用领域也有一定的局限性。

1.2 柔性传感器制造技术

1.2.1 微结构衬底的制造技术

光刻和蚀刻等技术通常用于获得刚性的微结构硅模具。这些微结构薄膜可以与碳纳米管和石墨烯等电极材料结合，获得高灵敏度的传感器[11]。Ha等[12]利用光刻技术在硅片上制作一定深度的微孔，然后将PDMS浇铸在模块上，得到具有圆柱形微结构的薄膜。最终在0.22 kPa-1以下的压力范围内，传感器灵敏度为可达2.0 kPa-1。

上述方法对模具、光刻工艺和技术人员的要求较高，制作成本昂贵。因此，研究人员开始关注自然模具。例如，仿生结构被研究用于制备微结构PDMS薄膜[13]。Luo等[14]利用天然叶子图案作为模具获得了微结构PDMS膜，并以石墨烯为电极制备了碳纳米管复合膜。所制备的传感器具有良好的性能，可以在0.03V下工作。与昂贵的光刻工艺相比，自然模具提供了一种更简单、更廉价的制备微结构的方法。

1.2.2 快速成型制造技术

直接在柔性衬底上打印电极，是制作各类物理和化学传感器的基本方法。常用的打印方式有丝网印刷、激光雕刻与 3D打印等。直接在以纸或聚合物作为底板进行打印。

丝网印刷技术以丝网板为中心，使油墨通过网孔流至承印产品，可进行大批量印刷，价格低，性价比高。Wang等[15]通过丝网印刷技术打印Ag/AgCl油墨和普鲁士蓝油墨，构成一种可大规模生产的可穿戴混合传感系统。该系统可同时实时监测生化(乳酸)和电生理信号(心电图)。3D打印技术已被业界和学术界公认为一种新兴的先进制造技术[16]。打印机可以通过喷嘴精确地操纵流体油墨的挤压来打印设计[17]。直接墨水书写(DIW)技术已应用于一系列潜在可穿戴设备的电子元件。Valentine[18]等报道了通过3D打印方式连续打印纯TPU油墨的绝缘TPU基体，然后用导电油墨打印导电痕迹，形成软传感器阵列。并利用该传感器阵列结合微控制器制作了一种先进的可穿戴设备。快速成型制造技术的兴起，为各类传感器的快速构建提供了新思路。

2 柔性传感技术在可穿戴医疗设备中的发展

医用传感器是一种用来感知生物的各种信息并转换成容易处理的电信号器件，由图2可知，它是医学仪器与人体直接耦合的环节，在医学仪器研制和医学实验中占有重要地位。医用传感器按工作原理分类，分为生物电电极传感器，物理传感器，化学传感器，生物传感器四类。

图2 医用传感器信号处理示意框图

2.1 生物电电极

生物电检测电极是指通过与生物体接触耦合，将生物体内的电位和电流有效导出的敏感元件。

Sarati等[19]在不使用任何有害化学物质和复杂工艺的情况下，在生物相容性较好的尼龙膜上制备了高性能纸基表皮传感器。应用该表皮传感器获取心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG)，并监测人体运动；Amer等[20]在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上丝网印刷银片，制备干电极。用于获取心电信号，避免了皮肤预处理和粘涂导电凝胶的过程。

2.2 物理传感器

基于材料学科的发展，研究者通过构建特殊机制的柔性薄膜材料，使其对外部环境具有极高的敏感度，构成了一系列物理柔性传感器，用于检测脉搏、呼吸频率、心跳速率、温度等人体生理信息。

体温温度传感器是临床上最基础的传感器之一。温度T下的电阻(Rt)由热敏电阻的材料常数(β)根据下式决定[21]：

(1)

(2)

其中R0为参考温度T0下的电阻。通过(1)式两边取自然对数得到(2)式中ln(RT)与1/T的线性关系。由于其工作机理简单，常被用来构建热敏电阻式温度传感器。

理想的可穿戴式热敏电阻应与应变无关，一种有效规避应变依赖性的可能方法是将热敏电阻与一个灵活且可伸缩的基体混合。Trung等[22]通过简单的旋转涂层和层压开发了致密的rGO/聚氨酯纳米复合温度传感器。即使在10 000次拉伸到30%的张力之后，它们仍表现出稳定的敏感性0.013 4 ℃-1。柔性压力传感器历经十余年的发展，已经成为可穿戴电子设备和电子皮肤的核心部件。

柔性压力传感器通常由高分子聚合物和纳米导电材料组成。其中高分子聚合物通常起柔性基地或绝缘体的作用，纳米导电颗粒充当敏感部件。清华大学团队[23]利用激光直写技术制备了一种激光诱导墨烯层(laser induced graphene, LIG)作为“电子喉咙”。贴于人体喉咙处可以监测人体发声状态。在语音控制的可穿戴领域具有广阔的市场。

2.3 化学传感器

化学传感器通常指基于化学原理的、以化学物质成分为检测对象的一类传感器。利用敏感材料与被测物中的离子、分子或生物物质互相接触而产生的表面化学反应、电极电位变化或引起材料表面的电势变化，并将反应直接或间接地转化为电信号。

人体的体液和排泄物中包含了大量有用的生理信息。在可穿戴医疗设备领域，研究者们致力于挖掘完全贴合人体皮肤的、无创的化学传感器，用于检测人体排泄液中的相关信息。Koh等[24]设计的微流控器件通过定义汗液的流通通道可以实时检测运动员的排汗量和排汗速率，以及汗液中乳酸、葡萄糖、肌酐和氯化物的浓度。Gao等[6]通过在PI薄膜上制备离子选择电极(ISE)，并与柔性PCB电路板结合佩戴于人体手臂上，实时监测人体汗液中钠离子、钾离子浓度的变化。两电极灵敏度分别为：64.2 mV/10倍浓度、61.3 mV/10倍浓度；组织液成分基本与血浆相同，因此基于组织液的化学传感器占有很大比重。Amay等利用反向离子渗透法提取皮下组织液，利用丝网印刷技术在纹身纸上打印基于酶的三电极系统，用于测量组织液中的葡萄糖浓度，实现了对人体血糖浓度的实时监测。这些非侵入性的传感器为充分利用体液或排泄液中生物标志物信息提供了一个平台。

2.4 生物传感器

生物传感器是近年来出现的一类新型传感器，其将生物体活性成分(酶、抗体、抗原、DNA、受体等)或生物体本身(组织、细胞、细胞器)作为敏感元件，具有很强的特异性和高度敏感性，被称为具有生物识别能力的化学传感器。

Lu等[25]制备出一种柔性低成本的一次性免疫传感器。由单壁碳纳米管(SWNTs)和生物分子在两个微图形电极之间自由组装，利用辣根过氧化物酶(HRP)作为检测免疫蛋白的敏感元件。对于兔免疫球蛋白检测分辨率为0.4 ng/mL。可通过改变在柔性免疫芯片上的抗原抗体系统，使其具有一般适用性，并可扩展到检测许多其他生物分子。

3 问题与挑战

3.1 长期使用性

一个理想的柔性传感器应该在长时间连续测量期间捕获分析物浓度。然而，达到长期使用的目的，对传感器有两个重要的要求。第一，传感器本身具有耐用、性能稳定等特点。大部分柔性电化学传感器的构建基于酶等活性物质。容易失活且价格成本高等缺点，达不到长期使用的目的。第二，患者佩戴应具有安全保障和一定的舒适感。部分传感器由于在皮肤表面进行交互，且高分子聚合物的非透气性造成皮肤发炎。此外，由于电极和皮肤之间的机械摩擦，对皮肤造成一定程度伤害。

3.2 广泛的临床试验

虽然很多学者在柔性传感器方面做了深入的研究，但得到的数据还需通过广泛的临床试验来验证其准确性。基于柔性传感技术的可穿戴医疗设备尺寸从微型化到大型化不等，其最终目的是实现更好的医疗服务。然而，新型传感器的测量结果与传统医疗设备的测量结果相比较，还具有一定距离。各类聚合物材料对于人体生物电信号的检测不够准确。进一步提高检测精度，是目前柔性传感器的问题之一，还需要结合广泛的临床实验，对设备进一步优化。

除上述问题外，制造成本、传感器功耗、传感器封装等方面，也都存在相应的问题。柔性传感技术的进一步探索，必定为完善的可穿戴医疗设备提供强大的支撑。

4 总结与展望

目前，基于软材料、柔性电子、纳米技术、微流体的发展，柔性传感技术已经取得长足的进步，通过各种传感机理，如物理、生物、电化学等，研究者已经不断探索柔性传感器在人体健康和医疗领域的应用，致力于制造出柔软、微型、高精度的传感器用于全方面的人体生理信号检测和人体运动信号追踪。未来，各种心血管疾病和神经系统疾病等的治疗手段越来越依赖于植入式医疗电子器件。人们可通过简约的柔性电子设备用于日常自主测量。医疗服务的进一步提高，都离不开柔性传感技术的发展。