用于个人数字健康监测的纤维基传感器的研究进展

随着经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对个人数字健康的关注日益增加。纤维基智能传感器凭借其出色的亲肤性和透气性满足了人们对可穿戴设备的需求。它们可以很容易地集成在各种纺织品中，从而在日常生活中高效、及时地监测个人数字健康信号。更重要的是，通过与集成电路、微控制系统、机器学习和大数据分析等新型技术的结合，纤维基智能传感器可为个人数字健康建立一个涵盖数据收集、数据分析以及医疗诊断和治疗的完整闭环系统。

来自苏州大学纺织与服装工程学院、现代丝绸国家工程实验室的李刚教授团队在 Materials 期刊发表了文章“Advances in Fiber-Based Wearable Sensors for Personal Digital Health Monitoring”，综述了近年来基于纤维的个人数字健康可穿戴传感器的研究进展。本文首先介绍了通过纤维传感器监测生物物理信号，并根据生物物理信号监测的不同传感原理 (电阻式、电容式、压电式、摩擦电式、磁弹性式和热电式) 对其进行了分类和描述。然后，本文通过对监测目标 (生物液体和呼吸气体) 的分类，介绍了基于光纤的生化信号传感器。最后，本文总结了纤维基传感器的应用前景和当前面临的挑战，旨在推动其未来在构建个人数字健康网络中的重要作用。

图为用于个人数字健康监测的传感器种类的基本分类。

1. 生物力学信号监测

生物物理信号对构建个人数字健康系统具有重要意义。例如，监测呼吸的稳定性可以预防呼吸系统疾病；监测脚压可以实现步态矫正；监测脉搏可以辅助诊断慢性心血管疾病；监测体温可以远程预警感冒或发烧等危险情况。基于纤维的生物物理传感器能够检测个人数字健康中的各种物理量，包括人体运动产生的生物力学信号和人体温度信号。同时，纤维传感器可与日常服装巧妙结合，以适应各种运动，实现长期无干扰信号监测。这些基于纤维的生物物理传感器捕捉到的及时信号将用于构建个人物理数字健康系统，将人们从繁琐的传统监测中解放出来。

图1. (a) 牛角瓜纱线 (CGY) 的导电化处理过程；(b) 证明 GMF 应变传感器可以忽略外界温度和湿度变化的干扰，Copyright © 2023 Springer Nature；(c) 多导电通道织物的制作工艺流程；(d) 用于区分不同呼吸模式的混淆矩阵和呼吸监测系统示意图，Copyright © 2021 Elsevier；(e) 基于 ALD 工艺制备的 CPF 应变传感器示意图；(f) CPF 应变传感器在摩擦、洗涤和光老化作用下保持了出色耐用性，Copyright © 2019 Springer Nature。

2. 生物温度信号监测

人体体温是一个动态过程，体温的变化可以反映发热、寒冷、血流速度、肌肉疲劳等一系列生理状况。基于光纤的可穿戴温度传感器具有灵敏度高、准确度高、响应速度快等特点，可以有效防范身体异常，使人们远离体温变化带来的不适。同时，由于具有良好的舒适性和透气性，可以满足佩戴要求。因此，开发基于纤维的可穿戴体温传感器来监测体温并建立分析系统，对于构建个人数字健康系统具有重要意义。

图2. (a) 热拉伸工艺前后纤维横截面的光学照片，聚乳酸和 rGO 构成传感层；(b) 温度传感手套的照片和传感曲线，Copyright © 2023 Springer Nature；(c) 能够同时检测温度和压力刺激的传感器阵列，并可通过蓝牙传输到智能设备，Copyright © 2023 Wiley-VCH；(d) PPSF 传感器的电压输出曲线显示了其高分辨率和快速响应能力；(e) 用 PPSF 材料直接制成的背心照片，Copyright © 2020 American Chemical Society。

3. 生物流体信号监测

生物流体信号的主要成分是汗液、唾液和尿液，其中汗液含有葡萄糖、乳酸、皮质醇和离子等多种生物标志物，可用于指示人体的健康状况。基于纤维的汗液传感器可以紧贴皮肤并适应皮肤运动，具有舒适性、透气性和准确性，这对监测人体汗液非常有益。

图3. (a) 将多根传感纱线集成到织物贴片中的示意图；(b) 将柔性印刷电路板和传感器贴在衣服上的照片；(c) 基于电化学纤维的大型汗液传感器照片，Copyright © 2023 Elsevier；(d) 双层纳米纤维膜的横截面电镜照片，这种具有 Janus 结构的织物传感效率可以提高到未改良织物的约10倍，Copyright © 2023 Royal Society of Chemistry；(e) SYBSC 双电极结构的制造过程，Copyright © 2023 Elsevier；(f) NFMAS 的平面和弯曲状态、无线柔性电路板以及佩戴在手腕上的照片，Copyright © 2023 Elsevier。

4. 生物气体信号监测

病态患者的呼吸气体中含有特定的挥发性有机化合物，监测这些化合物有助于维护人体健康。例如，人体呼气中的氨浓度与肾脏疾病有关，患者呼气中的氨浓度约为正常人的五倍；呼吸气体中丙酮的存在与糖尿病有关。纤维气体传感器可以很容易地集成到口罩和面罩中，对体内的生物标志物和体外的有害气体进行实时数字监测。



图4. (a) 与棉尿布集成的 MECS 示意图，Copyright © 2022 American Chemical Society；(b) 与 TENG 集成的 N95 面罩的照片，TENG 用于为内部氨传感器供电，Copyright © 2023 Elsevier；(c) 运动时佩戴丙酮传感器的照片；(d) 丙酮传感器的工作机制；(e) 用于测量不同饮食模式下，志愿者呼吸道丙酮动态水平的丙酮传感器面罩，血液中的β-羟基丁酸 (BOHB) 用于验证丙酮传感器数据的准确性，Copyright © 2023 Elsevier；(f) 以湿度为刺激信号的可穿戴织物键盘，Copyright © 2021 Elsevier；(g) MEHS 传感器驱动 LED 照明的时间电压曲线，以及电路原理图，Copyright © 2022 Elsevier。

纤维基可穿戴传感器在下一代可穿戴个人数字健康系统的广泛应用中展现出巨大潜力。开发具有高性能和巧妙设计的纤维基传感器，能够实现多模态数字健康监测。通过结合柔性纤维显示技术和动态交互技术，可实现对全身个体物理和化学健康信号的全面监测。多学科交叉技术的融合，将会真正把基于纤维的可穿戴传感器从实验室带入人类日常生活中，极大地拓展其应用范围，从而促进整个人类社会的大健康快速发展。

原文出自 Materials 期刊

Liu, J.; Zhang, J.; Liu, J.; Sun, W.; Li, W.; Shen, H.; Wang, L.; Li, G. Advances in Fiber-Based Wearable Sensors for Personal Digital Health Monitoring. Materials 2023, 16, 7428. 10.3390/ma16237428

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。