陈俊：未来个性化医疗保健服务的智能之路
一、【导读】
针对全球人群的诊断、治疗以及护理后康复的解决方案在可及性、质量和临床效果等方面都不尽相同，集中式、一刀切的医疗保健服务在提供可获得、可负担和高质量的服务方面效率低下，个性化医疗保健服务可以提高医疗保健的质量，但大范围应用仍然是个巨大的挑战。可穿戴设备可以帮助缓解医疗保健服务的现状，但它们的应用受到设备体积、电源、质量、耐用性、人体工程学舒适度等条件的限制。
20世纪90年代首次提出了可穿戴生物电子学，现已发展成为可集成到纺织品中的一系列复杂技术。这种智能纺织品可以感知、反应并与一系列环境刺激（例如机械、热、化学、辐射）相互作用，并且不需要电子元件与外部刺激相互作用，仍然是一种尚未充分开发的医疗保健服务产品。智能纺织品可以了解一个人的生理状态，可用于现场临床监测。这种纺织品的作用可以从疾病预防、改善临床结果和生活质量到提高生产力、减轻医疗负担和降低医疗成本。
近日，加州大学洛杉矶分校陈俊等人受邀在Nature electronics发表的一篇综述“Smart textiles for personalized healthcare”探讨了用于个性化医疗保健服务的智能纺织品的发展，考虑了其所采用的不同平台技术及各种制造策略，并探索了智能纺织品在诊断和治疗方面的应用。
二、【成果掠影】
回顾了用于个性化医疗保健的智能纺织品的发展。 研究了不同的平台技术、各种制造策略以及使用它们的临床场景范围。还探索了当前的商业和监管环境。最后，强调了将这些技术平台转变为商业应用所需的关键步骤。
三、【核心创新点】
- 探讨了不同的平台技术、不同的制造策略以及它们所使用的临床场景的范围；
- 探讨了智能纺织品的诊断和治疗应用；
- 强调了学术界和工业界需要解决的关键挑战，以实现智能纺织品的大规模商业应用。
四、【数据概览】
图1 智能医疗保健纺织品平台技术开发时间表 © 2022 Springer Nature
将电子产品嵌入服装始于20世纪90年代，随后又应用于医疗保健服务领域。纳米电子学和材料科学平台技术的发展引入了大量的诊断、治疗和激励应用。时间线中展示了代表性的参考物：电致发光、电学、电容、压电、压电电阻率、光电、热电性、电化学、电磁、场效应晶体管、摩擦电、磁弹性。
图2 智能纺织品的制造策略 © 2022 Springer Nature
(a) 智能纺织品中所使用的原材料,功能性材料被嵌入到预制的纺织基板上。
(b) 智能纺织品的制造策略，功能材料可以通过涂层、纺丝、印刷和热拉伸等技术直接在纤维内制造。
(c) 智能纺织品的架构，各种纤维级的排列有助于实现功能化的智能纺织品。
(d) 纺织级的结构意味着纱线可以以非织造的方式编织、针织或集成，纺制成大规模的智能纺织品。
图3 智能诊断纺织品
(a) 用于无线测量心血管参数的花状纺织传感器示意图。
(b) 采集老年患者的脉搏波形。
(c) 生物力学-电信号转换软系统中的巨磁弹性效应。
(d) 由导电纱编织的1D软纤维而制成的纺织MEG。
(e) 无需封装的纺织MEGs可在出汗或水下准确地将动脉脉搏波转换为电信号。
(f) 大型触觉传感纺织品照片，比例尺0.5 cm。
(g) 由PEDOT组成的导电柔韧丝片，作为表皮传感器监测肌电图信号。
(h) 一种用于葡萄糖、[Na+]、[K+]、[Ca2+]和pH监测的电化学传感纺织品。
(i) 纺织品能够从人体及周围环境中获取可再生能源，为诊断设备提供可持续的能源。
(j) 一种光可充电纺织品，包括纺织品太阳能电池和纺织品电池。
图经许可转载：a,b,i,j,）Elsevier; c,d,e,f,）Springer Nature Ltd; g,h) Wiley。
图4 智能治疗纺织品
(a) 智能手套可作为手语翻译和交流的辅助。PCB，印刷电路板。
(b) 从美国手语手势及其字母表示中生成电信号的模式。
(c) 用于手语翻译的移动用户界面。
(d) 一种Ti3C2Tx MXene纺织品，具有自动控制焦耳加热功能，用于热疗和杀死伤口周围的细菌。
(e) 一种智能的伤口敷料织物，可为患者量身定做剂量和给药时间。
(f) 与对照组相比，使用药物释放织物的伤口中的肉芽组织沉积增加了三倍。
(g) 一种由离子导电的有机凝胶纤维编织而成的TENG纺织品，能够产生电场，加速伤口愈合。
(h) 在对照组和凝胶织物TENG条件下，14天后伤口区域CD34表达的免疫染色图像。
(i) 由电源、显示和信息输入模块组成的集成纺织系统。比例尺2 cm。
图经许可转载: a,b,c,i) Springer Nature Ltd; d) American Chemical Society; e,f) Wiley; g,h) Elsevier。
图5用于个性化医疗保健的ATBAN © 2022 Springer Nature
(a) 服装上的自主纺织体区域网络 (ATBAN)，可同时监测代谢物（生物分子分析）、流动性（压力监测）、心血管功能（心率监测）和发热状态（温度监测）。 药物输送、光疗、电疗和热疗节点确保在需要时，按照中央处理单元节点的指示，提供持续的医疗干预能力。能源节点通过利用无源能源来提供恒定的电力，包括用于与物联网集成的通信控制单元节点。
(b) 各种类型的ATBAN个性化医疗保健功能通过诊断节点(绿色)、治疗节点(黄色)、能量节点(蓝色)和数据处理节点(灰色)来实现。其中包括自主原位干预、基于数据的用户驱动干预和大量远程转化研究应用程序中的基于云的集成。
(c) 对优化ATBAN开发至关重要的关键硬件和软件重点总结。
图6智能医疗纺织品的未来趋势 © 2022 Springer Nature
(a) 智能技术的物质基础重点领域。
(b) 采用先进制造技术来优化器件设计。
(c) 提高智能纺织品在实际应用中的可靠性。
(d) 纺织电子元器件的系统级集成和优化，以改善医疗保健结果。
(e) 智能医疗纺织品在临床实践和转化研究中的应用场景。
(f) 在工业层面上与医疗保健纺织品规模化相关的宏观考虑。
五、【成果启示】
智能纺织品的未来发展需要学术界和工业界对以下关键领域进行考虑。
学术方面的优化：包括材料创新、器件结构、可靠性和稳定性、功能集成和性能标准化等方面。
(1) 新型原材料的使用和新型复合材料的开发对于解决可重复浸洗性、表现性能和耐磨性等问题非常重要，具有可编程功能的复合材料在这方面有着很大的前景；(2) 智能纺织设备通常是集成了苛刻机械性能的功能材料，纤维的微型化和机械软材料涂层可以帮助解决这一问题；
(3) 智能纺织品应该具有透气性、可洗性、坚固性、热稳定性和空气/水分渗透性，使用聚合物封装的密封良好的纺织品传感器可以为这一问题提供解决方案；
(4) 开发高效的加工技术，将多种纺织保健设备与舒适的设计集成在一起，将是制造复杂智能纺织品和ATBAN的关键一步。
工业方面的考虑：
(1) 尽管传统的纺织行业已经成熟和建立，但智能纺织仍然缺乏一个明确的价值链。从小规模的学术重点转向工业制造需要适应。原材料高昂的成本，其稀缺性和毒理性，以及对训练有素的劳动力技能的需求，都限制了规模的扩大。医疗保健行业的医疗级制造标准要求也为临床使用的智能纺织品的生产增加了一层复杂性。在这方面已经出现了一些行动，欧盟委员会设立了SmartX欧洲智能纺织品加速部门，包括一个专门的医疗部门，特别帮助学术界-产业界架桥和智能纺织品价值链的创造。
(2) 解决生产规模扩大的问题。建议自上而下的扩展方法和自下而上的扩展方法同时进行。诊断性的、大规模的、通用的智能纺织品解决方案可以从自上而下的制造战略解决方案中受益。相反，对于治疗或高度功能化的解决方案，自下而上的缩放方法将由所需治疗功能的特异性驱动。自底向上的缩放，需要更多的技术专长和多样性原材料，可以使用批量生产进行。
考虑到智能纺织品在个性化医疗领域的多学科性质，将需要材料科学家、电气工程师、服装行业专家、监管机构、临床医生、患者、用户界面开发者和政府实体之间的交叉协作，以优化未来的开发和集成。
六、【材料人专访】
Q1：对于可穿戴智能器件，多数人可能最先想到谷歌眼镜的问世，以及由此带来的一系列类似设备的出现，例如，智能手表、手环等。那么， “可穿戴电子学”是否一定需要与织物进行结合，我们日常使用的上述设备和学界研究的这类智能电子设备的差别是什么？
Chen: 目前的可穿戴智能器件，大部分都是基于柔性高分子材料。在进行生理信号的持续监测的时候，往往需要长时间的穿戴，因此对器件的透气性和可穿戴性就会有比较高的要求。织物都是以优良的透气性和可穿戴性著称，所以如果将可穿戴电子与织物进行结合，将会是一个很好的选择。此外，纺织品可以由多种材料制成，从天然材料（丝绸、羊毛、棉）到合成材料（肽、聚酰胺、聚酯）， 其中许多是生物相容的、生物可降解的，甚至是生物可吸收的。这些优势都会使得智能织物在可穿戴智能领域具有一席之地。
Q2: 您觉得，对于从事材料和化学方向的研究者而言，想进入到这一新兴领域中需要具备哪些前置学科基础？在可穿戴智能织物这一多学科深度融合的领域中，哪个或者说哪几个学科起到了基础性和关键性作用？
Chen: 可穿戴智能织物是一个材料工程，生物工程，电子工程，机械工程，化学工程，纺织工程等等众多学科的一个深度交叉。穿戴器件的功能都很大程度上的依赖于材料的本征的性能，比如说斯坦福大学的鲍哲南老师，都是从高分子材料的基本合成开始，然后制作出各种高性能的可拉伸电子器件。材料学本身也是一个十分交叉的学科，大致的来说，有物理材料，化学材料，生物材料等等。如果想从事材料领域的科学研究，从本科开始学习一些基础学科会比较有帮助，比如说物理学，化学，生物学等。比如说我的博士导师王中林教授本科和博士学习的都是物理学，而博士后导师崔屹教授本科和博士学习的都是化学。这些深厚的物理化学基础，使得他们在材料科学和工程领域内大放异彩。
Q3: 从目前的研究来看，似乎各种具备功能性的材料都能被集成到这样的系统中，因为，多数材料都以微米甚至纳米级尺寸起到 “功能化作用” ，那么，这一领域的生物安全性研究是否得到了学术界的关注？
Chen: 生物安全性对可穿戴智能器件是至关重要的，尤其是这些进行健康监测的智能织物。本来都是为了促进人体生理健康而做的研究，所以智能织物对人体的安全性一直都是很重要的问题，也是很关键的研究点。
Q4: 您认为，未来这一领域真正从“实验室”走上“货架”的时间表大约是多久？目前，是否已经有小规模商业化的产品问世？
Chen: 对于可穿戴智能织物，目前已经有了一些小规模的产品上市。其实任何一个好的科学研究，都是需要既能上的了书架，也能上得了货架。我们也一直在往这个方向上努力。
个人介绍：
陈俊博士现任加州大学洛杉矶分校生物工程系助理教授，并创建了可穿戴生物电子实验室，致力于以纳米技术和生物电子为基础，以智能织物、可穿戴器件和人体局域网为形式的，在能源、传感、环境和医疗领域内的前沿应用研究。已经出版书籍2册，论文220多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (3), Nature Communications (2), Science Advances, Joule (3)，Matter (6)，Advanced Materials (7) 等刊物发表论文120余篇。其作品七次入选《自然》和《科学》杂志研究热点，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《华尔街日报》、《科学美国人》、《新闻周刊》等世界主流媒体共计 1200 余次。此外，他还申请了 14 项美国专利，其中一项获得了许可。他目前的H指数为80，连续2019，2020, 2021年入选Web of Science 全球高被引学者。陈俊博士现任Biosensors and Bioelectronics 杂志的副主编，也是Matter, Nano-Micro Letters，Materials Today Enregy，Cell Reports Physical Science等国际期刊的编委会成员。
陈俊博士最近获得的奖项与荣誉包括ACS PMSE Young Investigator Award ; Materials Today Rising Star Award, Fellow of International Association of Advanced Materials; Thought Leaders by AZO Materials; 30 Life Sciences Leaders To Watch by Informa, UCLA Society of Hellman Fellows Award, Okawa Foundation Research Award, Advanced Materials Rising Star, ACS Nano Rising Stars Lectureship Award, Chem. Soc. Rev. Emerging Investigator Award, JMCA Emerging Investigator Award, Nanoscale Emerging Investigator Award, Frontiers in Chemistry Rising Stars, IAAM Scientist Medal, 2020 Altmetric Top 100, Top 10 Science Stories of 2020 by Ontario Science Centre, Highly Cited Researchers 2020/2019/2021 in Web of Science.
文献链接
Smart textiles for personalized healthcare. Nature Electronics.2022.
DOI:10.1038/s41928-022-00723-z.
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