清华张莹莹课题组：碳基柔性材料在全面健康监测的回顾及最新进展

成果简介

图1、示意图显示了碳纳米材料在用于健康监测的可穿戴传感设备中的广泛应用。

传统的公共卫生系统存在不全面、延迟和低效的医疗服务。方便全面的健康监测最近备受追捧。柔性和可穿戴设备因其在可穿戴人类健康监测和护理系统中的潜在应用而受到广泛关注。使用具有综合优势的碳材料可以促进具有多种功能和优异性能的可穿戴和柔性设备的发展，可以全面实时地监测人体健康状况并预防疾病。

本文，清华大学张莹莹课题组在《Small》期刊发表名为“arbon-Based Flexible Devices for Comprehensive Health Monitoring”的综述，综述了碳材料在健康相关柔性和可穿戴电子产品中的合理设计和受控制备的最新进展。综述了机电传感器、温湿度传感器、化学传感器和柔性导电线/电极等碳基柔性器件的制备策略、工作机理、性能及其在健康监测中的应用。此外，还讨论了将多个碳基设备集成到多功能可穿戴系统中的问题。最后，还提出了该领域现有的挑战和未来的机遇。

图文导读

2.1 用于生物物理信号监测的碳基柔性物理传感器

生物物理信号监测是柔性物理传感器在生命和健康中的重要应用，也是实施创新医学的基础。通过设计具有不同传感机制和不同结构的设备，研究人员实现了对人体各种生理信号的监测，为健康状况和疾病治疗提供了诊断依据。基于碳材料的柔性物理传感器可以检测人体本身和环境参数等应变，压力气流、温度、湿度和其他信号。根据测量信号，柔性物理传感器可分为机电传感器、温度传感器、湿度传感器等。本节将回顾这三种碳基传感器及其在健康监测中的应用。

图1、各种形式的碳材料，用于制造电阻型机电传感器。

图2、碳材料柔性电阻型机电传感器在生物力学传感中的应用.

图3、基于碳材料的柔性温湿度传感器在医疗保健中的应用

2.2 用于生化信号监测的碳基柔性化学传感器

除了监测身体生物物理信号外，测量与健康相关的化学成分也是必不可少的，因为它可以为更全面的医疗保健提供重要的额外健康信息。与其他测量技术相比，例如光学和阻抗生物传感器（通常具有低选择性和灵敏度以及对环境干扰的敏感性），化学传感器由于其固有的小型化、简单性、低功耗要求、高灵敏度和选择性，吸引了更多对健康相关生物标志物的可穿戴监测的研究兴趣。本节回顾并讨论了具有代表性的碳材料可穿戴化学传感器，用于监测生物标志物。

图4、具有代表性的碳材料可穿戴化学传感器

对人体生物标志物的日常监测，可以让人们及时发现潜在疾病，及早治疗。此外，通过化学传感器检测周围环境中的危险气体，还可以防止人们陷入严重的危险环境。然而，报道的碳基化学传感器仍面临样品采集困难、响应时间/恢复时间长、灵敏度低等问题。此外，考虑到柔性化学传感器的实际应用，同时无干扰地监测多个生物标志物至关重要，这需要对特定生物标志物具有高选择性的功能化碳材料。

2.3 用于电生理信号监测的碳基柔性电极

大多数人类活动，如心跳、肌肉运动、大脑活动和神经功能，都是由低水平的电力驱动的。因此，长期连续记录比电流对于监测高危人群的健康状况和早期发现疾病具有至关重要的临床价值。人体电生理信号的可穿戴监测可以使用柔性电线和电极来实现，这些电线和电极通常由柔性、可拉伸的导体制成。近年来，基于碳材料的导电电极/导线已被开发出来，它们在电生理信号监测中的应用或可穿戴系统中各种组件的互连已经得到证明。

图5、基于碳材料的柔性导电线/电极

图6、碳材料柔性导电电极在电生理信号检测中的应用.

2.4 碳基柔性集成器件，用于全面的健康信号监测和分析

开发需要集成多个可穿戴设备的可穿戴综合监测-诊断-治疗系统是非常需要的。如上所述，已经开发出具有各种功能和令人满意性能的碳基柔性电子器件。同时，还研究了集成生理传感器、生化传感器、电生理传感器的多功能可穿戴系统的构建。在这一部分中，将讨论碳基可穿戴集成器件的构建和应用。

图7、基于碳材料的集成可穿戴电子产品

图8、集成可穿戴电子在健康监测中的应用

小结

本文综述了近年来在高性能柔性可穿戴电子产品中各种碳材料的合理设计和可控制备研究进展。碳材料，包括碳纳米管、石墨烯、聚合物衍生碳和其他形式的碳材料，由于其独特的优点（如导电性好、化学和热稳定性高、易于设计成各种柔性宏观形式、易于化学功能化），在机电传感器、温度传感器、湿度传感器、化学传感器和导电电极等柔性电子领域具有广阔的应用前景。

本文综述了各种碳基柔性传感器的制备策略和工作机理。此外，还讨论了它们在医疗保健中的潜在应用，包括监测生物物理、生化、电生理和综合人体信号。简而言之，创新的结构设计使构建灵活的设备变得容易，这些设备可以长期，及时和全面地监测生理信号，为智能便捷的健康管理铺平了道路。尽管该领域取得了重大进展，但与材料合成和器件制造相关的挑战仍然存在（图9）。

图9、用于健康监测的碳基柔性设备的未来趋势，包括创新材料合成，使用先进制造技术优化设备设计，提高设备可靠性和舒适性以及集成医疗保健系统。

3.1创新的合成方法

为了实现碳基材料在柔性电子领域的实际应用，创新具有理想性能的碳材料的合成方法至关重要。需要开发和建立具有成本效益、高通量和大规模的制备技术。现有的制造方法，通常需要昂贵的设备，而且很耗时，导致产品价格高昂。对现有技术的进一步优化和修改将促进大规模制造，并降低制造成本。由于简化了工艺，直接合成具有与目标应用相对应的所需结构和功能的碳材料也是非常理想的。此外，制造过程应减少甚至消除有毒材料或高风险化学品的使用，从而保证材料的生物相容性和过程的安全性。

3.2 提高设备性能

为了进一步提高健康监测设备的准确性、稳定性和可靠性，有必要优化设备设计，甚至在创新工作机制的基础上开发新的设备，从而改善柔性电子设备的关键参数，如灵敏度、选择性、长期稳定性、响应时间和恢复时间。例如，柔性电子设备应该与人体有更好的适应性，在机械和生物方面与人体兼容，以实现长期可靠的健康监测。尽管一些已报道的柔性电子设备显示出良好的皮肤顺应性，并能在重复的机械变形下承受高周长的疲劳测试，但这些设备还不够坚固，无法承受长期、连续、时间动态的皮肤变形，包括连接到人体皮肤后的拉伸、压缩和扭动。一个可能的解决方案是开发超薄的生物电子器件。然而，由于几何学上的薄度和机械上的坚固性之间的权衡，超薄设备普遍存在着有限的伸展性和机械耐久性。因此，器件的发展与材料的发展紧密相关，从而对碳材料的设计提出了新的要求，如设计更多创新的分层结构的碳材料或碳复合材料。

此外，理想的柔性电子产品具有透气性和可清洗性，以确保高舒适性和坚固性。目前，要实现这些都很难。近期的重点可能是实现对氧化、潮湿和机械变形的高稳定性。将关键材料封装在生物兼容的聚合物中可以提高灵活性和稳定性，但通常会牺牲设备的透气性。创新设备的结构和配置，如开发基于纤维/织物的设备，可能提供令人兴奋的解决方案。

3.3 整合多功能医疗系统

该领域的最终目标是实现可应用于现实生活的医疗保健管理的闭环系统。微型化、功率、分析、通信、安全数据管理和机器学习的结合都应该被考虑，以将实验室原型转化为具有长期、连续传感能力的完全便携、多功能和智能的皮肤贴片。此外，需要深入的临床研究人群来建立与现有临床方法相当的操作性能。此外，技术进步将需要不同领域的科学家和工程师的共同努力，如材料、设备、数据处理和生命科学。

尽管存在尚未解决的挑战，我们相信碳基柔性电子器件能够不断展示其巨大潜力，并最终进入我们的日常生活，改善人类健康和生活质量。下一代可穿戴电子设备有望实现灵活、轻巧，甚至是不可察觉、多功能和智能化，从而能够以方便和舒适的方式采集日常生活中的生理和环境信号。随着可穿戴设备的进一步发展，它们可能会彻底改变人类的生活方式，包括健康人和病人，在不影响日常生活的情况下实现个性化和全面的健康监测、疾病预防和医疗护理。

文献：

https://doi.org/10.1002/smtd.202201340