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莫納什大學(xué)程文龍教授《Chem. Rev.》：面向互聯(lián)醫(yī)療的下一代柔性可穿戴生物電子材料與器件
2024-01-14  來源：高分子科技

  在物聯(lián)網(wǎng)時代，雖然許多事物能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)，但生物系統(tǒng)，尤其是與人類健康密切相關(guān)的系統(tǒng)，由于缺乏柔性生物傳感器而無法與全球互聯(lián)網(wǎng)保持連接。這一根本挑戰(zhàn)在于電子學(xué)和生物學(xué)的本質(zhì)差異以及它們所基于的不同材料和工作原理。近年來，材料和材料設(shè)計(jì)，尤其是低維納米材料的重大進(jìn)展為柔軟可穿戴生物電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了巨大機(jī)遇，有望彌合這一差距，實(shí)現(xiàn)隨時隨地的醫(yī)療互聯(lián)。


  澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授及其團(tuán)隊(duì)基于其在可穿戴低維納米生物電子器件的研究基礎(chǔ)，近期在《Chemical Review》上發(fā)表了題為“Materials-Driven Soft Wearable Bioelectronics for Connected Healthcare”的綜述文章。這篇綜述文章系統(tǒng)回顧了醫(yī)療保健歷史的發(fā)展，突顯下一代互聯(lián)醫(yī)療的顯著趨勢，重點(diǎn)討論了低維納米材料的類型、屬性及其合成制備方法，強(qiáng)調(diào)了軟硬材料間界面控制在智能柔性器件的大規(guī)模集成中扮演的重要角色，同時探討了可穿戴傳感及能源方面的挑戰(zhàn)和迄今為止的進(jìn)展。除了前端可穿戴設(shè)備，該綜述還詳細(xì)總結(jié)了后端的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、人工智能以及遠(yuǎn)程通信等技術(shù)，并著重介紹了下一代可穿戴系統(tǒng)在臨床方面的最新進(jìn)展。 


圖1：醫(yī)療系統(tǒng)從歷史到未來互聯(lián)醫(yī)療的演變。


  該綜述首先通過回顧人類醫(yī)療系統(tǒng)的演變，特別是COVID大流行三年以來對傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)的沖擊與挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了未來基于病人的互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)的必要性（圖1）。同時，作者對這一全新醫(yī)療模式進(jìn)行了詳細(xì)介紹（圖2）。利用可穿戴診療及供能設(shè)備、無線連接技術(shù)、云存儲技術(shù)以及醫(yī)生的審查和及時干預(yù)實(shí)現(xiàn)病人生理數(shù)據(jù)的無縫收集和實(shí)時分析。此外，通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行算法訓(xùn)練，人工智能可以配合醫(yī)療人員建立診斷模型，提高診斷效率和準(zhǔn)確性并最終實(shí)現(xiàn)自動決策。 


圖2：未來互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)的方案。 


圖3：典型一維納米材料：垂直納米金線。


  其次，作者介紹了典型的零維、一維、二維納米材料及其納米結(jié)構(gòu)的合成、制備和應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了金納米粒子、銀納米粒子、銅納米粒子、碳納米管、石墨烯等常用低維納米材料（圖3）通過自上而下或自下而上的策略開發(fā)的柔性可穿戴電子器件。例如，通過濕化學(xué)合成、電化學(xué)沉積、光刻、電紡、激光剝蝕等方式，納米粒子可以被加工成具有優(yōu)異機(jī)電性能的電子墨水、電子纖維、電子皮膚甚至電子紋身，實(shí)現(xiàn)與生物體的適形貼合、信號采集以及與手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的實(shí)時交互（圖4，5）。 


圖4：基于低維納米材料的柔性生物電子器件自上而下的加工策略。 


圖5：基于低維納米材料的柔性生物電子器件自下而上的加工策略。


  同時，為滿足未來互聯(lián)醫(yī)療的多樣化需求，柔性電子器件需要具有一定的表面黏附性、透氣性、生物相容性和長期穩(wěn)定性。多尺度界面控制是減輕柔性電子集成中軟硬組件機(jī)械不匹配的關(guān)鍵一環(huán) （圖6）。在分子尺度上，柔性配體必須經(jīng)過精心選擇，用于電子墨水中納米材料的合成和分散。除此之外，高分子鍵合還是增強(qiáng)剛性納米材料與柔性基底之間表面黏附的有效工具。在納米尺度上，作者介紹了一系列納米結(jié)構(gòu)界面設(shè)計(jì)（包括平面、逐層和嵌入式結(jié)構(gòu)等）以實(shí)現(xiàn)軟硬界面之間的均勻分布和牢固黏附。在微米尺度上，曲線、褶皺、以及三維多級曲線設(shè)計(jì)賦予了剛性材料一定程度的可伸縮性。在宏觀尺度上，電子織物器件可以將眾多具有不同功能的電子器件完全集成于日常衣物中，實(shí)現(xiàn)多功能體外監(jiān)測。 


圖6：分子尺度、納米尺度及微米尺度的軟硬界面控制策略。


  隨后，該文章介紹了基于低維納米材料的柔性集成策略，其中包括傳感器、處理器、存儲和輸出接口，并由可穿戴電源模塊提供能量（圖7）。作者指出，雖然基于低維納米材料的柔性傳感設(shè)備已展現(xiàn)出優(yōu)異的穿戴舒適性，但其他諸如柔性處理器、存儲和輸出組件，依然面臨剛性較大、可靠性不足等挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這一問題，混合電子技術(shù)的概念已被提出，即通過發(fā)展剛?cè)峤Y(jié)合的復(fù)雜多功能系統(tǒng)改善互聯(lián)醫(yī)療器件的整體穿戴舒適性以及系統(tǒng)可靠性。例如，最新的進(jìn)展展示了包括柔性多模態(tài)傳感器、柔性電路、剛性無線連接設(shè)備以及柔性電源等一系列器件的混合電子系統(tǒng)。 


圖7：柔性電子系統(tǒng)集成示意圖。


圖8：下一代可穿戴互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)在疾病治療、運(yùn)動監(jiān)測、呼吸監(jiān)測以及老年護(hù)理等方面的應(yīng)用。


  隨后， 作者介紹了基于低維納米材料的柔性器件在臨床醫(yī)療領(lǐng)域的最新應(yīng)用。其在疾病監(jiān)測、運(yùn)動檢測、呼吸監(jiān)測、老年護(hù)理、傷口愈合監(jiān)測、柔性醫(yī)用機(jī)器人等方面正發(fā)揮越來越重要的作用。最后，作者指出了醫(yī)用低維納米材料在柔性電子領(lǐng)域存在的問題、擁有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為今后的研究指明了方向。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00502

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