Advanced Materials:用于可穿戴表皮传感的变色材料在健康监测中的应用

颜色提供了一种简单直接的信息传递方式。很多可穿戴设备会通过改变颜色来监测皮肤生理信号,这些信号可以用肉眼直接识别,为患者/医生感知刺激提供简单直接的传感/映射路径。在过去的十年中,基于变色的健康监测引领了可穿戴设备的发展,这是因为它们与可穿戴电子器件比起来具有很多优点,例如,易读取、快速响应、可逆性、低成本和制造程序简单等。由于响应变色材料在外部刺激(例如,机械力、湿度、光、电压及温度)下可产生肉眼可见的颜色变化,可将其用作传感元件去监测表皮生理信号。但是,变色可穿戴传感的发展仍处于萌芽阶段,需要解决许多问题,例如与皮肤贴合度低、视觉信号干扰、连续监测时间短和耐用性差。

鉴于此,西安交通大学徐峰教授团队总结了一系列可以在温度、pH、光和电场等因素刺激下变色的材料,以及将其集成在可穿戴表皮传感器上,作为健康监测的应用。生理信号通常分为三个部分,即物理信号、电生理信号和化学信号,三种信号与健康状况高度相关,也可以集成到一个单一平台中进行多生理信号监测。此外,还对这些变色可穿戴监测设备的制备、最新进展及应用进行了总结和讨论;最后,提出了新一代可穿戴设备面临的挑战和机遇。

多信号监测

Sun课题组报道了一种多功能交互式传感设备(图A)。这种layer-by-layer的结构具有热/光/机械变色特性。机械变色材料包括Ecoflex/红色染料和作为可拉伸材料的粘合双层,以及聚乙烯醇缩丁醛/TiO2复合材料/镜面铬光屏蔽层。通过遮光层的裂纹开闭机制证明了机械变色效应,并且通过不同程度的预拉伸可以很容易地调节机械变色灵敏度。为了赋予热致变色响应,三种热致变色无色颜料在不同温度区域呈现蓝色、绿色、红色和白色。为了赋予光致变色响应,选择含有 Technocolor Purple 3 的无色颜料在可见光下呈现白色,在365 nm的紫外线下变为深紫色。这些材料可用于人体运动/环境条件监测和可拉伸交互式电子设备。尽管如此,大多数可穿戴传感器将不同的刺激转化为同一区域的相似颜色变化。Rogers课题组通过比色的方式对pH、温度、葡萄糖、氯化物和乳酸进行汗液监测(图 B)。PDMS微流体通道用作封装比色染料的基板。结果包括用于分析多种汗液生物标志物、温度、汗液速率/流失和 pH 值的定量值。双面粘合层确保设备与皮肤的稳定、牢固和无缝的粘合和相容性,不会产生刺激。尽管如此,变色的不可逆性是长期健康监测的另一个障碍。

设计策略

将多个传感元件与不同结构(例如1D、2D、3D)相结合是可穿戴变色传感领域需要高度关注的设计理念。基于这些结构设计,探索相关传感部件和基底材料,通过简便的制作步骤实现对皮肤生理信号的高灵敏度监测,开发出新型可穿戴变色传感器。未来的智能健康监测平台将升级为“一个系统=多个结果”,对多个生理信号同时监测,全面了解身体健康状况。

挑战与展望

总体而言,可穿戴变色传感器仍然面临挑战,例如生物相容性、粘附性、拉伸性和柔韧性、长期稳定监测和灵敏度。除此之外,未来的工作还需要关注集成、感知、隐私保护和无干扰视觉呈现等。在这篇综述中,我们得出结论,可穿戴变色传感器已经有足够的检测灵敏度、生物相容性和多功能性,在健康监测中的应用方面已经有了显著成就。在过去的十年中,新型变色材料取得了长足进展。尽管前景广阔,但目前可穿戴变色传感器尚未抓住巨大的市场机会,因为它们在灵敏度、特异性、可重复使用性和耐用性仍然有待提高。我们相信,通过变色方式可实现非侵入性和长期连续监测的最终目标,为新一代可穿戴传感器开拓新天地。

该论文由西安交通大学、香港中文大学、牛津大学、中国人民解放军空军军医大学及西安医学院的通力协作下完成。论文的第一作者为生命学院仿生工程与生物力学研究所韩斐助理教授,西安交通大学徐峰教授为通讯作者,论文第一单位为西安交通大学生命学院生物医学信息工程教育部重点实验室。

该研究工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学基本科研业务费、陕西省自然科学基金以及中国博士后科学基金面上项目等的资助。

论文信息:

Materials with Tunable Optical Properties for Wearable Epidermal Sensing in Health Monitoring

Fei Han, Tiansong Wang, Guozhen Liu, Hao Liu, Xueyong Xie, Zhao Wei, Jing Li, Cheng Jiang, Yuan He, Feng Xu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202109055

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109055