可穿戴傳感器最新Nature系列綜述

【導讀】

可穿戴傳感器是一種集成分析器件，可將即時（point-of-care）系統的特點與自主操作單元中的移動連接性相結合。此類器件允許以無創或微創的方式連續監測人體的生物特征，從而感知微小的生理變化。最早的可穿戴器件可追溯到上世紀60年代，為了測量心臟電活動，人們發明了Holter監護儀。而隨著時間的推移，科技的發展使得普通消費者和專業醫用可穿戴器件之間的界限越來越模糊。第一代可穿戴器件依托于手表、鞋子或耳機，主要側重于通過跟蹤體力活動、心率或體溫進行生物物理監測。而隨著第一代可穿戴器件的廣泛應用，第二代器件的發展重點逐漸轉向無創或微創生化多模式監測，這是實現真正個性化健康護理的關鍵一步。與第一代相比，第二代穿戴器件的形式更加豐富精巧，如出現了皮膚貼片、紋身、牙齒貼片、隱形眼鏡和織物等新型器件，這其中也包括了更具侵入性的微針和注射形式的器件。對于第二代可穿戴器件來說，其還具有一個關鍵特征，那就是可以收集生物流體，并用生物識別元件將特定分析物轉化為可檢測信號。盡管第二代器件更多的還存在于實驗室原型中，但也有一些商業產品（包括FreeStyle Libre血糖監測系統和Gx汗液貼片）。除了進行常規的生理功能監測以外，智能手表的發展已經證明這些可穿戴器件能夠通過生物物理信號對各種疾病（如新冠肺炎和帕金森癥）的演變和治療進行早期檢測和監測。人們普遍認為，更加先進的可穿戴傳感器有望通過實時和連續地對物理參數和生化標志物進行多模式和/或多路測量而推動診斷技術的革命性發展。

【成果掠影】

可穿戴器件的常規構件主要有基板和電極材料、傳感單元（用于接口、采樣、生物識別、信號轉導和放大的元件）、決策單元（用于數據采集、處理和傳輸的組件）和動力單元。近期，德國弗萊堡大學的Can Dincer和哈佛大學的James J. Collins（共同通訊作者）等人撰寫了最新綜述文章，詳細介紹了可穿戴傳感器領域的最新發展，特別著重介紹了針對傳感、決策和動力單元的研究結果。除了闡釋可穿戴傳感器的各類組成部分外，作者還分析了此類器件的發展趨勢，討論了該領域所面臨的挑戰，并為如何利用可穿戴器件變革醫療保健提供了建議。該文第一作者為H. Ceren Ates和Peter Q. Nguyen，文章以題為“Nanostructuring versus microstructuring in battery electrodes”發布在國際著名期刊Nature Reviews Materials上。

【亮點】

1.系統性介紹了可穿戴器件中的基本構件及其運行機制。

2.建立了設計和實現新型可穿戴器件的總體框架。

【圖文解讀】

圖1.可穿戴傳感器發展里程碑及其主要構件概覽。? 2022 Springer Nature Limited

（a）用于健康管理監測的可穿戴器件在商用和研究階段的里程碑；

（b）可穿戴器件的主要構件，如基板和電極材料、傳感單元、決策單元、動力單元。

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

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表2.各類生物流體的比較和特征。? 2022 Springer Nature Limited

表3.生物識別元件。? 2022 Springer Nature Limited

表4.可穿戴器件與數據驅動策略結合用于健康管理的典型案例。? 2022 Springer Nature Limited

圖2.決策單元及其工作原理。? 2022 Springer Nature Limited

（a）數據流水線的概念化。可穿戴器件與傳感策略的組合和處理可獲得生理參數和生物標志物。其中，黑線和紅線分別表示數據處理和模型訓練路徑；

（b）數據驅動策略概述。機器學習算法可以對大數據進行后處理，以探索測量信號和個體生理狀態之間的復雜聯系。

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圖3.能量富集策略。? 2022 Springer Nature Limited

（a）壓電是由機械運動產生的，可激活壓電材料。；

（b）不同電負性的兩種材料的物理接觸和分離運動可形成摩擦電性；

（c）導體A的表面被加熱時可產生熱電，隨后該能量轉移到導體B，從而觸發電荷載流子（例如電子和空穴）的運動并產生電壓；

（d）光伏材料受到光照射時可產生光伏能量；

（e）在電磁輻射下，天線可將電磁波轉換為電壓或電流；

（f）可穿戴生物燃料電池通過生物流體（如汗液）和酶提供的催化反應產生能量。

【結論與展望】

文章在最后還總結了進一步開發可穿戴傳感器件所面臨的挑戰和局面。從材料的角度來看，透氣、靈活和可拉伸的材料仍然是實現可穿戴應用（如適應電子皮膚、智能貼片或紡織品）的必備且仍需進一步改善提升的要素。為了可持續和低成本大規模生產可穿戴傳感器，作者還指出需要進一步開發具有可回收特點的基材。此外，開發自供電的可穿戴器件，包括“綠色”動力裝置（如一次性太陽能電池板或生物燃料電池），也是研究人員所面臨的一大挑戰。

為了以可穿戴形式實現長期（幾天到幾周）連續測量，傳感和采樣技術也需要進一步改進。在這方面，傳感單元的發展趨勢應包括使用微針、納米針或非傳統的樣本采集方法（如口罩），以實現簡單、連續或按需采樣；同時也需要進一步集成微材料或納米材料和穩定的合成生物反應，以實現信號放大作用。此外，新的生物識別元件或分析技術（如適體、分子印跡聚合物、納米酶、DNAzymes或CRISPR-Cas分析技術）均有望用于提高器件靈敏度及其長期使用能力。

準確性也使作者非常關注的一個問題。目前，通過在同一平臺上安裝不同類型的傳感器和/或同時測量不同的分析物和/或樣品，可以多模式和/或多路傳感形式提高可穿戴設備的準確性。而提高對可穿戴傳感器所產生超大數據集的云計算、數據挖掘和機器學習能力，也有望幫助更準確地預測用戶的生理狀態。此外，將可穿戴器件集成到物聯網應用中，采用數據安全和處理協議，并建立可穿戴數據網絡的監管框架，也非常有助于進一步促進可穿戴器件的普及。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00460-x