可穿戴传感器最新Nature系列综述

【导读】

可穿戴传感器是一种集成分析器件，可将即时（point-of-care）系统的特点与自主操作单元中的移动连接性相结合。此类器件允许以无创或微创的方式连续监测人体的生物特征，从而感知微小的生理变化。最早的可穿戴器件可追溯到上世纪60年代，为了测量心脏电活动，人们发明了Holter监护仪。而随着时间的推移，科技的发展使得普通消费者和专业医用可穿戴器件之间的界限越来越模糊。第一代可穿戴器件依托于手表、鞋子或耳机，主要侧重于通过跟踪体力活动、心率或体温进行生物物理监测。而随着第一代可穿戴器件的广泛应用，第二代器件的发展重点逐渐转向无创或微创生化多模式监测，这是实现真正个性化健康护理的关键一步。与第一代相比，第二代穿戴器件的形式更加丰富精巧，如出现了皮肤贴片、纹身、牙齿贴片、隐形眼镜和织物等新型器件，这其中也包括了更具侵入性的微针和注射形式的器件。对于第二代可穿戴器件来说，其还具有一个关键特征，那就是可以收集生物流体，并用生物识别元件将特定分析物转化为可检测信号。尽管第二代器件更多的还存在于实验室原型中，但也有一些商业产品（包括FreeStyle Libre血糖监测系统和Gx汗液贴片）。除了进行常规的生理功能监测以外，智能手表的发展已经证明这些可穿戴器件能够通过生物物理信号对各种疾病（如新冠肺炎和帕金森症）的演变和治疗进行早期检测和监测。人们普遍认为，更加先进的可穿戴传感器有望通过实时和连续地对物理参数和生化标志物进行多模式和/或多路测量而推动诊断技术的革命性发展。

【成果掠影】

可穿戴器件的常规构件主要有基板和电极材料、传感单元（用于接口、采样、生物识别、信号转导和放大的元件）、决策单元（用于数据采集、处理和传输的组件）和动力单元。近期，德国弗莱堡大学的Can Dincer和哈佛大学的James J. Collins（共同通讯作者）等人撰写了最新综述文章，详细介绍了可穿戴传感器领域的最新发展，特别着重介绍了针对传感、决策和动力单元的研究结果。除了阐释可穿戴传感器的各类组成部分外，作者还分析了此类器件的发展趋势，讨论了该领域所面临的挑战，并为如何利用可穿戴器件变革医疗保健提供了建议。该文第一作者为H. Ceren Ates和Peter Q. Nguyen，文章以题为“Nanostructuring versus microstructuring in battery electrodes”发布在国际著名期刊Nature Reviews Materials上。

【亮点】

1.系统性介绍了可穿戴器件中的基本构件及其运行机制。

2.建立了设计和实现新型可穿戴器件的总体框架。

【图文解读】

图1.可穿戴传感器发展里程碑及其主要构件概览。© 2022 Springer Nature Limited

（a）用于健康管理监测的可穿戴器件在商用和研究阶段的里程碑；

（b）可穿戴器件的主要构件，如基板和电极材料、传感单元、决策单元、动力单元。

表1.基板材料。© 2022 Springer Nature Limited

表2.各类生物流体的比较和特征。© 2022 Springer Nature Limited

表3.生物识别元件。© 2022 Springer Nature Limited

表4.可穿戴器件与数据驱动策略结合用于健康管理的典型案例。© 2022 Springer Nature Limited

图2.决策单元及其工作原理。© 2022 Springer Nature Limited

（a）数据流水线的概念化。可穿戴器件与传感策略的组合和处理可获得生理参数和生物标志物。其中，黑线和红线分别表示数据处理和模型训练路径；

（b）数据驱动策略概述。机器学习算法可以对大数据进行后处理，以探索测量信号和个体生理状态之间的复杂联系。

图3.能量富集策略。© 2022 Springer Nature Limited

（a）压电是由机械运动产生的，可激活压电材料。；

（b）不同电负性的两种材料的物理接触和分离运动可形成摩擦电性；

（c）导体A的表面被加热时可产生热电，随后该能量转移到导体B，从而触发电荷载流子（例如电子和空穴）的运动并产生电压；

（d）光伏材料受到光照射时可产生光伏能量；

（e）在电磁辐射下，天线可将电磁波转换为电压或电流；

（f）可穿戴生物燃料电池通过生物流体（如汗液）和酶提供的催化反应产生能量。

【结论与展望】

文章在最后还总结了进一步开发可穿戴传感器件所面临的挑战和局面。从材料的角度来看，透气、灵活和可拉伸的材料仍然是实现可穿戴应用（如适应电子皮肤、智能贴片或纺织品）的必备且仍需进一步改善提升的要素。为了可持续和低成本大规模生产可穿戴传感器，作者还指出需要进一步开发具有可回收特点的基材。此外，开发自供电的可穿戴器件，包括“绿色”动力装置（如一次性太阳能电池板或生物燃料电池），也是研究人员所面临的一大挑战。

为了以可穿戴形式实现长期（几天到几周）连续测量，传感和采样技术也需要进一步改进。在这方面，传感单元的发展趋势应包括使用微针、纳米针或非传统的样本采集方法（如口罩），以实现简单、连续或按需采样；同时也需要进一步集成微材料或纳米材料和稳定的合成生物反应，以实现信号放大作用。此外，新的生物识别元件或分析技术（如适体、分子印迹聚合物、纳米酶、DNAzymes或CRISPR-Cas分析技术）均有望用于提高器件灵敏度及其长期使用能力。

准确性也使作者非常关注的一个问题。目前，通过在同一平台上安装不同类型的传感器和/或同时测量不同的分析物和/或样品，可以多模式和/或多路传感形式提高可穿戴设备的准确性。而提高对可穿戴传感器所产生超大数据集的云计算、数据挖掘和机器学习能力，也有望帮助更准确地预测用户的生理状态。此外，将可穿戴器件集成到物联网应用中，采用数据安全和处理协议，并建立可穿戴数据网络的监管框架，也非常有助于进一步促进可穿戴器件的普及。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00460-x