陳俊：未來個性化醫療保健服務的智能之路

一、【導讀】

針對全球人群的診斷、治療以及護理后康復的解決方案在可及性、質量和臨床效果等方面都不盡相同，集中式、一刀切的醫療保健服務在提供可獲得、可負擔和高質量的服務方面效率低下，個性化醫療保健服務可以提高醫療保健的質量，但大范圍應用仍然是個巨大的挑戰。可穿戴設備可以幫助緩解醫療保健服務的現狀，但它們的應用受到設備體積、電源、質量、耐用性、人體工程學舒適度等條件的限制。

20世紀90年代首次提出了可穿戴生物電子學，現已發展成為可集成到紡織品中的一系列復雜技術。這種智能紡織品可以感知、反應并與一系列環境刺激（例如機械、熱、化學、輻射）相互作用，并且不需要電子元件與外部刺激相互作用，仍然是一種尚未充分開發的醫療保健服務產品。智能紡織品可以了解一個人的生理狀態，可用于現場臨床監測。這種紡織品的作用可以從疾病預防、改善臨床結果和生活質量到提高生產力、減輕醫療負擔和降低醫療成本。

近日，加州大學洛杉磯分校陳俊等人受邀在Nature electronics發表的一篇綜述“Smart textiles for personalized healthcare”探討了用于個性化醫療保健服務的智能紡織品的發展，考慮了其所采用的不同平臺技術及各種制造策略，并探索了智能紡織品在診斷和治療方面的應用。

二、【成果掠影】

回顧了用于個性化醫療保健的智能紡織品的發展。 研究了不同的平臺技術、各種制造策略以及使用它們的臨床場景范圍。還探索了當前的商業和監管環境。最后，強調了將這些技術平臺轉變為商業應用所需的關鍵步驟。

三、【核心創新點】

• 探討了不同的平臺技術、不同的制造策略以及它們所使用的臨床場景的范圍；
• 探討了智能紡織品的診斷和治療應用；
• 強調了學術界和工業界需要解決的關鍵挑戰，以實現智能紡織品的大規模商業應用。

四、【數據概覽】

圖1 智能醫療保健紡織品平臺技術開發時間表 ? 2022 Springer Nature

將電子產品嵌入服裝始于20世紀90年代，隨后又應用于醫療保健服務領域。納米電子學和材料科學平臺技術的發展引入了大量的診斷、治療和激勵應用。時間線中展示了代表性的參考物：電致發光、電學、電容、壓電、壓電電阻率、光電、熱電性、電化學、電磁、場效應晶體管、摩擦電、磁彈性。

圖2 智能紡織品的制造策略 ? 2022 Springer Nature

(a)?智能紡織品中所使用的原材料,功能性材料被嵌入到預制的紡織基板上。

(b)?智能紡織品的制造策略，功能材料可以通過涂層、紡絲、印刷和熱拉伸等技術直接在纖維內制造。

(c)?智能紡織品的架構，各種纖維級的排列有助于實現功能化的智能紡織品。

(d)?紡織級的結構意味著紗線可以以非織造的方式編織、針織或集成，紡制成大規模的智能紡織品。

圖3 智能診斷紡織品

(a)?用于無線測量心血管參數的花狀紡織傳感器示意圖。

(b)?采集老年患者的脈搏波形。

(c)?生物力學-電信號轉換軟系統中的巨磁彈性效應。

(d)?由導電紗編織的1D軟纖維而制成的紡織MEG。

(e)?無需封裝的紡織MEGs可在出汗或水下準確地將動脈脈搏波轉換為電信號。

(f)?大型觸覺傳感紡織品照片，比例尺0.5 cm。

(g)?由PEDOT組成的導電柔韌絲片，作為表皮傳感器監測肌電圖信號。

(h)?一種用于葡萄糖、[Na⁺]、[K⁺]、[Ca²⁺]和pH監測的電化學傳感紡織品。

(i)?紡織品能夠從人體及周圍環境中獲取可再生能源，為診斷設備提供可持續的能源。

(j)?一種光可充電紡織品，包括紡織品太陽能電池和紡織品電池。

圖經許可轉載：a,b,i,j,）Elsevier; c,d,e,f,）Springer Nature Ltd; g,h) Wiley。

圖4 智能治療紡織品

(a)?智能手套可作為手語翻譯和交流的輔助。PCB，印刷電路板。

(b)?從美國手語手勢及其字母表示中生成電信號的模式。

(c)?用于手語翻譯的移動用戶界面。

(d)?一種Ti₃C₂T_x?MXene紡織品，具有自動控制焦耳加熱功能，用于熱療和殺死傷口周圍的細菌。

(e)?一種智能的傷口敷料織物，可為患者量身定做劑量和給藥時間。

(f)?與對照組相比，使用藥物釋放織物的傷口中的肉芽組織沉積增加了三倍。

(g)?一種由離子導電的有機凝膠纖維編織而成的TENG紡織品，能夠產生電場，加速傷口愈合。

(h)?在對照組和凝膠織物TENG條件下，14天后傷口區域CD34表達的免疫染色圖像。

(i) 由電源、顯示和信息輸入模塊組成的集成紡織系統。比例尺2?cm。

圖經許可轉載:?a,b,c,i) Springer Nature Ltd; d) American Chemical Society; e,f) Wiley; g,h) Elsevier。

圖5用于個性化醫療保健的ATBAN ? 2022 Springer Nature

(a)?服裝上的自主紡織體區域網絡 (ATBAN)，可同時監測代謝物（生物分子分析）、流動性（壓力監測）、心血管功能（心率監測）和發熱狀態（溫度監測）。 藥物輸送、光療、電療和熱療節點確保在需要時，按照中央處理單元節點的指示，提供持續的醫療干預能力。能源節點通過利用無源能源來提供恒定的電力，包括用于與物聯網集成的通信控制單元節點。

(b)?各種類型的ATBAN個性化醫療保健功能通過診斷節點(綠色)、治療節點(黃色)、能量節點(藍色)和數據處理節點(灰色)來實現。其中包括自主原位干預、基于數據的用戶驅動干預和大量遠程轉化研究應用程序中的基于云的集成。

(c)?對優化ATBAN開發至關重要的關鍵硬件和軟件重點總結。

圖6智能醫療紡織品的未來趨勢 ? 2022 Springer Nature

(a)?智能技術的物質基礎重點領域。

(b)?采用先進制造技術來優化器件設計。

(c)?提高智能紡織品在實際應用中的可靠性。

(d)?紡織電子元器件的系統級集成和優化，以改善醫療保健結果。

(e)?智能醫療紡織品在臨床實踐和轉化研究中的應用場景。

(f)?在工業層面上與醫療保健紡織品規模化相關的宏觀考慮。

五、【成果啟示】

智能紡織品的未來發展需要學術界和工業界對以下關鍵領域進行考慮。

學術方面的優化：包括材料創新、器件結構、可靠性和穩定性、功能集成和性能標準化等方面。

(1) 新型原材料的使用和新型復合材料的開發對于解決可重復浸洗性、表現性能和耐磨性等問題非常重要，具有可編程功能的復合材料在這方面有著很大的前景；(2)?智能紡織設備通常是集成了苛刻機械性能的功能材料，纖維的微型化和機械軟材料涂層可以幫助解決這一問題；

(3)?智能紡織品應該具有透氣性、可洗性、堅固性、熱穩定性和空氣/水分滲透性，使用聚合物封裝的密封良好的紡織品傳感器可以為這一問題提供解決方案；

(4) 開發高效的加工技術，將多種紡織保健設備與舒適的設計集成在一起，將是制造復雜智能紡織品和ATBAN的關鍵一步。

工業方面的考慮：

(1) 盡管傳統的紡織行業已經成熟和建立，但智能紡織仍然缺乏一個明確的價值鏈。從小規模的學術重點轉向工業制造需要適應。原材料高昂的成本，其稀缺性和毒理性，以及對訓練有素的勞動力技能的需求，都限制了規模的擴大。醫療保健行業的醫療級制造標準要求也為臨床使用的智能紡織品的生產增加了一層復雜性。在這方面已經出現了一些行動，歐盟委員會設立了SmartX歐洲智能紡織品加速部門，包括一個專門的醫療部門，特別幫助學術界-產業界架橋和智能紡織品價值鏈的創造。

(2) 解決生產規模擴大的問題。建議自上而下的擴展方法和自下而上的擴展方法同時進行。診斷性的、大規模的、通用的智能紡織品解決方案可以從自上而下的制造戰略解決方案中受益。相反，對于治療或高度功能化的解決方案，自下而上的縮放方法將由所需治療功能的特異性驅動。自底向上的縮放，需要更多的技術專長和多樣性原材料，可以使用批量生產進行。

考慮到智能紡織品在個性化醫療領域的多學科性質，將需要材料科學家、電氣工程師、服裝行業專家、監管機構、臨床醫生、患者、用戶界面開發者和政府實體之間的交叉協作，以優化未來的開發和集成。

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六、【材料人專訪】

Q1：對于可穿戴智能器件，多數人可能最先想到谷歌眼鏡的問世，以及由此帶來的一系列類似設備的出現，例如，智能手表、手環等。那么， “可穿戴電子學”是否一定需要與織物進行結合，我們日常使用的上述設備和學界研究的這類智能電子設備的差別是什么？

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。在進行生理信號的持續監測的時候，往往需要長時間的穿戴，因此對器件的透氣性和可穿戴性就會有比較高的要求。織物都是以優良的透氣性和可穿戴性著稱，所以如果將可穿戴電子與織物進行結合，將會是一個很好的選擇。此外，紡織品可以由多種材料制成，從天然材料（絲綢、羊毛、棉）到合成材料（肽、聚酰胺、聚酯），?其中許多是生物相容的、生物可降解的，甚至是生物可吸收的。這些優勢都會使得智能織物在可穿戴智能領域具有一席之地。

Q2: 您覺得，對于從事材料和化學方向的研究者而言，想進入到這一新興領域中需要具備哪些前置學科基礎？在可穿戴智能織物這一多學科深度融合的領域中，哪個或者說哪幾個學科起到了基礎性和關鍵性作用？

Chen: 可穿戴智能織物是一個材料工程，生物工程，電子工程，機械工程，化學工程，紡織工程等等眾多學科的一個深度交叉。穿戴器件的功能都很大程度上的依賴于材料的本征的性能，比如說斯坦福大學的鮑哲南老師，都是從高分子材料的基本合成開始，然后制作出各種高性能的可拉伸電子器件。材料學本身也是一個十分交叉的學科，大致的來說，有物理材料，化學材料，生物材料等等。如果想從事材料領域的科學研究，從本科開始學習一些基礎學科會比較有幫助，比如說物理學，化學，生物學等。比如說我的博士導師王中林教授本科和博士學習的都是物理學，而博士后導師崔屹教授本科和博士學習的都是化學。這些深厚的物理化學基礎，使得他們在材料科學和工程領域內大放異彩。

Q3: 從目前的研究來看，似乎各種具備功能性的材料都能被集成到這樣的系統中，因為，多數材料都以微米甚至納米級尺寸起到 “功能化作用” ，那么，這一領域的生物安全性研究是否得到了學術界的關注？

Chen: 生物安全性對可穿戴智能器件是至關重要的，尤其是這些進行健康監測的智能織物。本來都是為了促進人體生理健康而做的研究，所以智能織物對人體的安全性一直都是很重要的問題，也是很關鍵的研究點。

Q4: 您認為，未來這一領域真正從“實驗室”走上“貨架”的時間表大約是多久？目前，是否已經有小規模商業化的產品問世？

Chen: 對于可穿戴智能織物，目前已經有了一些小規模的產品上市。其實任何一個好的科學研究，都是需要既能上的了書架，也能上得了貨架。我們也一直在往這個方向上努力。

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個人介紹：

陳俊博士現任加州大學洛杉磯分校生物工程系助理教授，并創建了可穿戴生物電子實驗室，致力于以納米技術和生物電子為基礎，以智能織物、可穿戴器件和人體局域網為形式的，在能源、傳感、環境和醫療領域內的前沿應用研究。已經出版書籍2冊，論文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) 等刊物發表論文120余篇。其作品七次入選《自然》和《科學》雜志研究熱點，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《華爾街日報》、《科學美國人》、《新聞周刊》等世界主流媒體共計 1200 余次。此外，他還申請了 14 項美國專利，其中一項獲得了許可。他目前的H指數為80，連續2019，2020, 2021年入選Web of Science 全球高被引學者。陳俊博士現任Biosensors and Bioelectronics?雜志的副主編，也是Matter, Nano-Micro Letters，Materials Today Enregy，Cell Reports Physical Science等國際期刊的編委會成員。

陳俊博士最近獲得的獎項與榮譽包括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.

文獻鏈接

Smart textiles for personalized healthcare.?Nature Electronics.2022.

DOI:10.1038/s41928-022-00723-z.