用于汗液中鉀離子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的腕帶式無(wú)線表皮生物傳感系統(tǒng)

紡織品生物電子學(xué)可以實(shí)現(xiàn)更為舒適的表皮接觸，在非侵入性生物傳感方面有著巨大的前景。然而，它們的應(yīng)用受到限制，主要是因?yàn)榇嬖谥^大的固有電阻和較低的電子集成兼容性。

近期，南方科技大學(xué)林苑菁助理教授和香港理工大學(xué)鄭子劍教授等人報(bào)道了一種集成式腕帶，其由單片多功能模塊嵌入紡織品而成，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線表皮生物傳感。織物內(nèi)金屬圖案化和可靠的互連封裝有助于獲得與傳統(tǒng)柔性器件競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)異導(dǎo)電性、機(jī)械堅(jiān)固性和防水性。此外，維護(hù)良好的多孔織物結(jié)構(gòu)可提供79 mm/s的透氣性和270 g/m2/day的透濕性，比醫(yī)用膠帶高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而擁有卓越的穿著舒適性。集成在織物中的腕帶可在0.3 mM~ 40 mM的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的汗液鉀監(jiān)測(cè)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此其在可穿戴健身監(jiān)測(cè)和即時(shí)檢測(cè)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。相關(guān)工作以“A monolithically integrated in-textile wristband for wireless epidermal biosensing”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

如圖1所示，研究人員報(bào)道了一種單片集成在紡織品中的腕帶，基于聚合物輔助金屬沉積（PAMD）可實(shí)時(shí)無(wú)線地分析汗液鉀離子（K?）。由此所制造的紡織品電化學(xué)傳感系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建基于可滲透金屬布的單片紡織電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電化學(xué)信號(hào)處理和傳輸，該電路具有抗彎曲、折疊和起皺的高耐久性。此外，研究人員還優(yōu)化了雙面光刻法以進(jìn)行織物內(nèi)圖案化，從而在單片布上實(shí)現(xiàn)了電路圖案。研究顯示，該方法與PAMD的兼容性可實(shí)現(xiàn)通過(guò)模仿傳統(tǒng)的印刷電路板制造工藝來(lái)精確復(fù)制精心設(shè)計(jì)的圖案。

圖1 腕帶式無(wú)線表皮生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與制備

這種織物內(nèi)金屬圖案策略能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)79 mm/s的優(yōu)異透氣性和270 g/m2/day的透濕性。與商業(yè)紡織織物相比，這些織物具有競(jìng)爭(zhēng)力，并且比柔性電子產(chǎn)品中常用的商業(yè)醫(yī)用膠帶和彈性體高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，這種可穿戴生物電子的舒適性得到了大大地提高。所制造的織物內(nèi)傳感器可以檢測(cè)汗液中的K?，且具有高靈敏度、良好的選擇性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。作為概念驗(yàn)證，志愿者汗液中的K?濃度成功地使用紡織品系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果與高性能電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試一致。該系統(tǒng)能夠以0.994的高擬合優(yōu)度進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)向移動(dòng)設(shè)備的精確生物信號(hào)傳輸。這項(xiàng)工作為制造集成和可穿戴的生物分析設(shè)備提供了一種很有前途的策略，展示了其在健身監(jiān)測(cè)、數(shù)字健康和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)方面的潛在應(yīng)用。

圖2 腕帶式無(wú)線表皮生物傳感系統(tǒng)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)






審核編輯：劉清